軟巖軟化性和膨脹特性對隧道支護結構受力影響分析

華柯強 陸泌鋒

(1.中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 211800；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

1 概述

紅層軟巖在西南地區具有廣泛的分布，其遇水軟化特性和膨脹特性對該地區隧道施工及長期穩定性造成了嚴重影響。不少學者對此進行了詳細研究，孫小明等[1]根據現場實踐和室內試驗提出了膨脹巖的判別方法和分級標準；張麗敏[2]和蘇航等[3]則從宏觀和微觀出發，從崩解、膨脹和軟化三方面了解了軟巖的水理特性，并認為其三軸壓縮破壞形態以壓裂片狀剝落和剪破壞為主；李海燕[4]、徐光政[5]、陳軍等[6]也對軟巖地區的隧道、路基等施工和支護提出了建議。本文通過室內試驗得到紅層軟巖的軟化系數和最大平均膨脹力，并以應力釋放的方式將膨脹力施加在支護結構上，以研究軟巖的膨脹特性對隧道支護結構的影響。

2 工程概況

研究區軟巖代表地層為白堊系下統普昌河組(K1p)，主要分布在大理Ⅱ段板凳山隧洞的瓦窯坡處。研究區地層為白堊系下統普昌河組(K1p)紫紅色粉砂質泥巖，為Ⅴ類圍巖，其縱剖面圖見圖1。該段隧道埋深在80 m～250 m。據現場勘察資料顯示：該段巖石強度為92%泥巖(Rb=8 MPa～12 MPa)夾8%砂巖(Rb=18 MPa～23 MPa)，中層為主夾薄層狀；洞軸線與巖層走向交角為75°～85°，傾角24°～62°。

3 研究區軟巖遇水膨脹軟化特性研究

3.1 遇水膨脹特性

根據水電水利工程巖石試驗規程，將同一鉆孔中K1p地層粉砂質泥巖制成φ50 mm×50 mm的試樣，用YYP-50巖石膨脹力試驗儀測定其膨脹力。根據試驗記錄得到K1p地層粉砂質泥巖3個試樣的 最大膨脹力的最大值分別為2 197.1 kPa,1 994.9 kPa和1 899.8 kPa，平均值為2 030.6 kPa，具有強膨脹性；并根據試驗結果繪制出膨脹力與浸水時間的關系曲線，見圖2。由圖2可知，試樣膨脹力曲線可分為3個階段：

1)劇烈加速膨脹階段(OA段)；2)減速膨脹階段(AB段)；3)穩定膨脹階段(BCD段)。

在OA段，試樣表層微裂隙發育，與水接觸后，黏土礦物迅速吸水，體積迅速膨脹；AB段，試樣表層一定范圍的黏土礦物吸水膨脹完成，封閉表層微裂隙，內部黏土礦物吸水過程由外層的沿裂隙通道直接吸水變為沿巖體孔隙吸水，吸水過程減緩，故膨脹緩慢；BCD段，此時試樣黏土礦物吸水基本完成，在軸向荷載作用下，部分黏土礦物發生變形，封閉部分大開孔隙，使得膨脹力略微減小，直至最終穩定。

3.2 遇水軟化特性

軟巖的軟化性是指巖石浸水后力學強度降低的特性，一般用軟化系數表征。表1為K1p地層粉砂質泥巖試樣的單軸壓縮試驗結果，由表1可知：粉砂質泥巖飽和狀態下的單軸抗壓強度為5.30 MPa，干燥狀態下的單軸抗壓強度為31.76 MPa，其軟化系數為0.17，說明該試樣軟化系數極低，抗軟化性很弱，遇水極易發生軟化和破壞，其穩定性差。

表1 單軸壓縮試驗結果表

4 軟巖遇水膨脹軟化對隧道支護結構影響分析

4.1 模型建立

以隧道洞軸線方向為X軸，長度為100 m，以垂直于洞軸線的水平方向為Y軸，寬度為200 m，以鉛垂方向為Z軸，取高程1 850 m至實際地表，計算模型見圖3a)。取隧道中間位置橫截面S作為典型觀測面，在橫截面S布置8個監測點，分別為拱頂A，拱腰B和C，洞底D，以及洞趾E，F，G，H，見圖3b)。

隧洞支護中以Cable單元模擬系統錨桿，以Shell單元模擬混凝土噴層、底板混凝土及鋼拱架的共同作用，其等效彈性模量通過式(1)進行等剛度換算。隧洞支護結構圖見圖4。

EI=E1I1+E2I2

(1)

其中，E,E1,E2分別為Shell單元、C25混凝土、鋼拱架的彈性模量；I,I1,I2分別為單位長度Shell單元、C25混凝土、鋼拱架的截面慣性矩。

4.2 計算參數

根據室內試驗及現場勘測，研究區物理力學參數取值及支護材料參數取值如表2,表3所示。

表2 圍巖物理力學參數

表3 支護材料力學參數

4.3 計算結果分析

圖5為隧道支護結構的典型截面在天然及飽水兩種狀態下的彎矩分布圖。從圖5可看出，天然狀態下，支護結構的拱頂、拱肩和拱腰部位的彎矩分布較均勻，彎矩大小為0 N·m～5×104N·m，結構的支護作用較明顯；在飽水狀態下，圍巖產生軟化和膨脹作用，支護結構的拱頂、拱肩和拱腰部位的彎矩分布均勻程度比天然狀態下稍差，彎矩大小為0 N·m～-2×105N·m。隧道兩側洞趾部位存在彎矩集中現象，且彎矩值和方向變化范圍均較大，天然狀態下，最大可達5.34×105N·m，而飽水狀態下最大值約為1.33×106N·m。

表4為支護結構剖面上A～H8個監測點的彎矩值。由表4可知，隧道圍巖在飽水狀態下發生軟化和膨脹，在二者的共同作用下，支護結構上各監測點處的彎矩值相對于天然狀態下均有明顯的增加，且越向隧洞下側，彎矩值增加得越大，洞趾處的彎矩值是天然狀態下的2倍～4倍，這會對支護結構造成很大威脅，長期作用下會使支護結構產生破壞，需引起重視。

表4 考慮膨脹力前后支護結構彎矩值 N·m

5 結語

1)研究區紅層軟巖軟化系數為0.17，抗軟化性弱，遇水易發生軟化。

2)通過膨脹力試驗發現，紅層軟巖膨脹力變化曲線可分為劇烈加速膨脹階段、減速膨脹階段和穩定膨脹階段，具有強膨脹性。

3)隧道圍巖在飽水狀態下，受巖體軟化和膨脹力的共同影響，越靠近洞趾支護結構上彎矩值增加越明顯，對支護結構的威脅很大。