膨脹巖地段高鐵隧道支護破壞機理研究

李新宇

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

由于膨脹巖具有吸水膨脹和劣化等工程特性，在工程設計中若不能做出正確的評價，會給實際工程帶來預料不到的危害[1-3]，如施工反復、工程延期、不能正常運營、隧道結構損傷等，會造成巨大的安全隱患和經濟損失。近年來，由于凝灰巖或凝灰質地層的膨脹特性引發的隧道病害時有發生[4-5]。

大量學者對膨脹巖的特性進行研究，力圖減小膨脹巖給工程帶來的危害和不便。在膨脹巖地區修建隧道工程時，需要對膨脹巖進行判別與分類[6-8]，依據膨脹巖膨脹性的強弱采取相應的支護措施。在施工過程中則應該秉持短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測的原則[9]。崔蓬勃等[10]發現通過加大注漿范圍，且同時提高二襯的配筋率可以保證膨脹巖隧道二次襯砌的安全。

大量工程經驗與理論研究表明，膨脹巖吸水膨脹是影響隧道結構力學性質的主要因素，目前關于膨脹巖的工程特性研究僅關注于圍巖含水率和膨脹巖自身膨脹特征之間的關系，關于對膨脹巖地段隧道支護結構破壞機理的研究還不夠充分。本文針對北普陀山隧道圍巖膨脹引起隧道初期支護開裂的現象進行研究，借助有限差分軟件FLAC3D，分析了膨脹性圍巖的位移和支護結構的受力情況，并對該隧道支護結構的破壞機理進行了研究。

1 工程概況

北普陀山隧道位于遼寧省錦州市西北部的老虎溝鎮和石門溝鎮，為一條雙線高速鐵路隧道，隧道進口里程為DK76+455，出口里程為DK78+960，全長2505m,隧道位于中低山區，最高山峰海拔為273.73m，最低山谷高程為99.57m，相對海拔高差184.16m，山坡天然傾斜率大。隧道最大埋深94.32m。隧道內全段范圍內縱坡為5.3‰下坡。前期地質勘測表明，隧道洞身巖性主要是侏羅紀系上統義縣組J3y安山巖，弱風化，斑狀結構，塊狀構造，節理和裂隙不發育，巖體比較完整。

2 北普陀山隧道膨脹破壞情況

2019年8月23日，北普陀山隧道出口在施工過程中，發現未施工襯砌段落局部初期支護噴射混凝土發生開裂，現場進行深入檢查驗證后發現：

（1）DK78+153~DK78+163段10m范圍內，線左拱墻區域處圍巖夾雜黃綠色黏土礦物，遇水軟化呈膠泥狀，初支表面局部有滲水痕跡，此段范圍內初支混凝土開裂，集中里程為DK78+156；

（2）DK78+178處裂縫長度1.5m，DK78+175處裂縫長度3m，線右邊墻底部出現噴射混凝土整體脫落，此處圍巖呈灰綠色，呈層狀松散結構，遇水軟化，初支表面局部有滲水痕跡；

（3）DK78+200~DK78+212段12m范圍內，仰拱及仰拱隧底在開挖后出現灰綠色巖石，呈松散狀，遇水軟化。仰拱基底揭示圍巖線左區域為凝灰質礫巖，線右局部區域為安山巖，巖層接觸位置有1m~2m寬的接觸帶，接觸帶位置基巖較破碎，巖性混雜。

2019年9月28日，北普陀山隧道出口在施工過程中發現DK78+077處線左邊墻初支混凝土出現開裂剝落，外露圍巖為灰綠色，呈層狀松散結構，遇水軟化，初支表面局部有滲水痕跡。

綜上可知，北普陀山隧道在DK77+984~DK78+212段228m范圍隧道開挖后，初期支護表面局部滲水，邊墻初期支護噴射混凝土出現開裂、剝離、外鼓和脫落現象，其中初支開裂最為嚴重，并由現場測試出膨脹力最大的區段為DK78+093~DK78+165約70m范圍。現場進行深入勘察，揭示該段落地質條件復雜，現場膨脹性試驗結果表明，該區段典型巖樣自由膨脹率（Fs）最大值為50%，蒙脫石含量（M）最大值為69.97%，陽離子交換量CEC(NH4+)最大值為534.54mmol/kg。根據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》（TB 10038-2012）中的各項指標，綜合判定該段圍巖具強膨脹性。

3 數值模擬

為研究該段膨脹巖隧道段落破壞機理，本文采用FLAC3D軟件進行了模擬分析。

3.1 膨脹效應計算方法及假定

FLAC3D中的熱力學模塊可模擬材料中的瞬態熱傳導，以及因溫度發展而產生的位移與應力。FLAC3D中能量方程的表達形式為：

式中:

qi——熱流量向量，W/m2；

qv——體熱源強度，W/m3；

ρ——密度；

Cv——在定體積中的熱量，J/kg·℃；

T——溫度；

t——時間。

對于靜態、均一的各向同性固體，傅里葉定律可表達為：

式中：

T——溫度；

k——熱傳導系數，W/m℃。

FLAC3D的熱力學耦合是通過溫度改變引起單元的應變而實現的，溫度引起應變增量（Δεij）與溫度改變量（ΔT）的關系為：

式中：

αt——溫度線膨脹系數；

δij——Kronecker記號。

含有親水性礦物的圍巖由于裂隙水侵入發生膨脹的過程非常復雜，涉及物理與化學等過程，因此在采用FLAC3D進行模擬計算時，作了如下假設：

（1）巖土體應力的變化不會直接影響土體的溫度，即熱應力的分布僅與土體的溫度相關，不會因結構應力的變化而發生改變。

（2）巖體在升溫和膨脹過程中的某個階段，其導熱系數和膨脹率可以近似地認為都是恒定不變的數值。

3.2 模型建立及參數

根據北普陀山隧道設計資料，確定模型隧洞高11.43m，洞徑14.10m，隧道埋深取最深為94m，由圣維南原理及相關數值模擬研究理論可知，隧洞兩側取隧道洞徑3~5倍為宜，在本次研究取模型上、下、左、右邊界均為隧道洞徑的5倍，最終模型的尺寸為140m×70m×140m（長×寬×高）。模型隧道縱向長度為70m，研究范圍對應于實際工程中由于凝灰巖與安山巖不整合接觸帶所造成的支護破壞最為嚴重的DK78+093~DK78+165區間。模型四周與底部邊界約束法向位移，頂部邊界考慮埋深94m，采用應力邊界條件進行埋深的模擬，于上邊界施加荷載，對模型范圍內巖體單元采用應變軟化莫爾-庫倫本構。計算模型如圖1所示。

圖1 三維計算分析模型

發生膨脹性破壞區段仰拱尚未開挖，僅施作了拱墻初期支護，初期支護采用噴射混凝土，厚度0.05m，設計強度等級為C25。圍巖采用實體單元進行建模，初期支護采用結構殼單元（shell）進行模擬。根據現場對圍巖狀態的描述，在施工開挖前，圍巖呈現較為干燥且完整的初始狀態，經現場膨脹性試驗測得，圍巖的初始含水率為5%左右。

3.3 模擬工況

模擬工況分為不考慮圍巖吸水膨脹和考慮圍巖吸水膨脹兩種，兩種工況具體內容如下：

（1）不考慮圍巖吸水膨脹：不開啟熱力學模塊，計算模擬步驟與現場施工一致，采用全斷面開挖，循環進尺為2m，其中初期支護滯后于掌子面一個進尺施作。

（2）考慮圍巖吸水膨脹：計算過程同上，但是需要開啟熱力學模塊，為模型全范圍設置0℃初始溫度場，即對應實際地質條件中的初始含水率5%。圍巖由于開挖過程的擾動而發生含水率的迅速上升，考慮擾動的時間效應，松動圈內圍巖吸水膨脹與軟化均滯后一個開挖循環發生。開挖后為松動圈內圍巖賦予100℃固定溫度，對應圍巖飽和含水率35%，溫度的升高對應于破碎的圍巖含水率的上升。設定溫度計算為主步，靜力計算為從步，則可通過熱-力耦合模擬出因開挖擾動而產生的圍巖吸水膨脹效應。

3.4 計算結果分析

3.4.1 圍巖位移

考慮到隧道的空間對稱，以隧道區間中點橫截面（Y=35）為研究斷面，分析圍巖膨脹對隧道結構帶來的影響。在該斷面的拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、左邊墻、右邊墻、拱底左、拱底右、拱底布設共10個圍巖監測點。其中拱頂、拱底左、拱底右與拱底4個部位監測圍巖的豎向Z位移，其余拱墻測點監測圍巖水平X位移。

圖2對兩種工況的圍巖豎向位移和水平位移隨計算步序的變化曲線進行了對比。隨著開挖循環的進行，各測點位移值逐漸增大。在開挖進行到監測斷面之前，圍巖整體變形均以較慢的速率進行，當開挖進行到監測斷面時，由于開挖卸荷產生的臨空面，使得監測點位移值均產生較大的突變，隨著初期支護的及時施作，各測點位移值再次出現緩慢的變化。由計算結果可看出，考慮圍巖吸水膨脹時，圍巖的拱頂最大沉降值為10.63mm，仰拱最大隆起值為18.11mm，與普通開挖相比分別增大了2.03倍與2.56倍。圍巖的水平位移主要發生在隧道拱腳與邊墻位置，最大位移量為6.02mm，與普通開挖下水平位移1.29mm相比，水平變形量增大了4.67倍，且變形范圍由于松動圈內膨脹巖的影響向拱部上方移動。計算結果表明，受擾動的圍巖發生吸水膨脹后，仰拱底隆起在數值上最大。

圖2 圍巖位移步序曲線

進行對比可以發現，圍巖的吸水膨脹會導致明顯的圍巖附加變形，同時由于膨脹性的影響，使得圍巖位移速率明顯加快。因此，圍巖的膨脹效應會使隧道洞身產生明顯甚至出現破壞的變形行為。從豎向位移可以看出，膨脹性對于隧道仰拱底的影響較大，從水平位移可以看出，膨脹性對于拱腳及邊墻變形的影響較大。

3.4.2 初支應力

為了解隧道開挖全過程中膨脹性對初支壓應力的影響情況，對初支結構上設置的7個監測點進行應力隨步序進行的監測，以掌子面移動距離為橫軸，各測點應力監測值為縱軸，繪制曲線可得到監測斷面初支主應力隨施工進行的變化情況，由于隧道左右對稱性，僅考慮左側測點計算值。

圖3為兩種工況的壓應力影響對比圖，膨脹性對于初支各部位的影響程度幾乎相當，即初期支護整體會產生一個由圍巖吸水膨脹性引起的附加應力。

圖3 壓應力影響監測對比圖（MPa）

圖4中對兩種工況的隧道初支應力隨掌子面推進的變化曲線進行了對比。由曲線可知，當掌子面進行到中心斷面時開始監測，隨著開挖循環的進行各測點壓應力逐漸增大，初支整體由于膨脹力的作用而受壓，由于初支不閉合而導致的拉應力消失，其中拱腳位置初支壓應力的增長速率明顯高于其他部位，說明在當前斷面尺寸形狀下，拱腳部位受開挖與膨脹的影響更大。初支最大壓應力主要位于拱腳與邊墻之間的區域，數值大小為26.81MPa，與普通開挖相比增加了2.9倍。根據C25混凝土極限抗壓強度為18.5MPa，膨脹效應會導致初支受力為C25噴射混凝土的極限抗壓強度的145%，因此在隧道拱腳、邊墻部位可能出現初支混凝土開裂、剝落等不良病害，這與現場病害的勘察結果與描述相一致。

圖4 初支應力的變化曲線

4 結束語

考慮包含膨脹性、軟化性、膨脹范圍等因素的圍巖膨脹劣化效應，對北普陀山膨脹巖隧道進行三維熱-力耦合數值模擬，分別對不考慮圍巖膨脹性的普通開挖工況與考慮膨脹性的開挖工況進行模擬。研究了北普陀山隧道膨脹巖對隧道結構影響與機理，得到如下主要結論：

（1）較普通開挖情況而言，在圍巖膨脹和劣化影響下，圍巖拱頂最大沉降、仰拱最大隆起以及最大水平位移分別增加了2.03倍、2.56倍和4.67倍。膨脹性對仰拱底部的影響最大，隧道斷面整體會產生向內擠的變形行為。對于未封底的隧道，膨脹引起隧道底鼓更為嚴重，隧道頂板及兩幫圍巖膨脹壓力向底板傳遞，底板在強烈的膨脹壓力作用下首先失穩，底板向隧道空間移動，隧道頂板及兩幫圍巖也向底板移動，加劇底鼓。

（2）圍巖膨脹會對隧道支護結構產生明顯影響，而導致其內部壓應力數值超過C25初支混凝土的極限抗壓強度，可能在隧道拱腳、邊墻部位出現初支混凝土開裂、剝落等不良病害，這與現場實際的初支拱腳與邊墻處出現噴射混凝土開裂與掉塊的破壞情況一致。