膨脹巖對隧道圍巖的影響分析

文/ 劉錦成

引言

膨脹巖是含有蒙脫石和伊利石等親水粘土礦物的巖體，具有吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，可往復(fù)脹縮變形，屬于軟巖范疇。

在含水率變化的影響下，這種含有親水礦物的巖石體積將會發(fā)生較大變化，因此膨脹巖具有遇水體積膨脹、巖體軟化崩解和失水收縮開裂等工程特性。

因膨脹巖遇水情況，引起的病害發(fā)生在我國很多運(yùn)營和修建的隧道中，例如襯砌變形和開裂等。膨脹巖遇水變質(zhì)，導(dǎo)致我國很多修建或是運(yùn)營中的隧道出現(xiàn)補(bǔ)砌變形、開裂等現(xiàn)象。

諸多專家學(xué)者一直關(guān)注膨脹巖在隧道工程中的影響，郝中海等學(xué)者分析了陳家山隧道的膨脹巖施工，提出此類工程較合適的施工工序和在此過程中的注意要素。

符亞鵬結(jié)合工程實際，分析鐵路隧道在膨脹巖層中的病害概況以及隧道防排水設(shè)計、隧道斷面形狀等，針對仰拱提出提高強(qiáng)度、剛度，增大仰拱矢跨比等一系列優(yōu)化措施。

周勇狄等學(xué)者綜合分析了大華嶺隧道膨脹巖等級判斷和在膨脹巖地段隧道的設(shè)計原則以及支護(hù)措施，并通過模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方案，表明可采用加固隧道拱腳支護(hù)、提高基底穩(wěn)定性、采用高質(zhì)量注漿材料進(jìn)行注漿加固等方式來保障施工和運(yùn)營過程中的隧道穩(wěn)定性。

薛彥瑾等學(xué)者選取等效蒙脫石含量、陽離子交換量、自由膨脹率和液限為泥巖膨脹性判別指標(biāo),提出了泥巖膨脹等級分級標(biāo)準(zhǔn),采用改進(jìn)層次分析法、基尼系數(shù)法和直覺模糊理論確定了判別指標(biāo)組合權(quán)重,基于逼近理想解排序法（TOPSIS法）建立了泥巖膨脹性直覺模糊綜合評價模型。

張宗堂等學(xué)者采取了某地區(qū)不同粒徑的膨脹巖巖樣，并采取室內(nèi)浸水崩解試驗,推導(dǎo)了不同循環(huán)次數(shù)和不同初始粒徑的膨脹巖崩解分形維數(shù)計算公式。計算結(jié)果表明:分形維數(shù)隨著初始粒徑和循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

本文以我國西北某隧道為工程依托，利用數(shù)值模擬手段，探究隧道圍巖在弱膨脹作用下不同膨脹范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

工程概況

我國西北部建設(shè)的某隧道，左右線全長約5km，隧道最大埋深400m，東部和南部因古老地層褶皺而隆起，形成山地地貌。北部因受地質(zhì)沉陷和紅、黃土層沉積，形成黃土丘陵地貌。隧址區(qū)地層按其時代及成因分類，在勘察深度范圍內(nèi)上覆地層為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積（Q4del）黃土狀粉土，第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）黃土，新近系（N）泥巖、泥質(zhì)砂巖，下伏基巖為前寒武系牛頭河群（Pz1nt1）花崗片麻巖場地廣泛分布的第三系泥巖、砂質(zhì)泥巖為易崩解的膨脹性巖。根據(jù)室內(nèi)試驗成果，泥巖自由膨脹率(Fs)36～41%,陽離子交換量CEC(NH4+)174～209mmol/kg,蒙脫石含量(M)7.3～84,具弱膨脹性。

膨脹巖隧道受力特征有限元模擬

采用ABAQUS有限元軟件對隧道進(jìn)行三臺階模擬開挖，并采用熱-應(yīng)力耦合功能，實現(xiàn)隧道膨脹性圍巖在一定范圍內(nèi)的膨脹。膨脹范圍內(nèi)的圍巖狀態(tài)由干燥到膨脹，對應(yīng)的溫度從0℃到20℃，弱膨脹性對應(yīng)的溫度膨脹系數(shù)為1.0×10-4/℃。模型的邊界范圍：隧道頂部至上下邊界距離均為50m，隧道中軸線距左右邊界均為50m。隧道開挖高度為11.3m，跨度15.7m：初期支護(hù)為厚度27cm的C25噴射混凝土，架立I20a型工字鋼，鋼拱架間距為0.8m。根據(jù)膨脹范圍的不同設(shè)置四組工況，如表1所示。隧道橫斷面測點如圖1所示。

計算結(jié)果分析

圍巖變形分析

1.隧道開挖擾動引起應(yīng)力重分布使得圍巖發(fā)生位移變形，在圍巖尚未發(fā)生膨脹前，豎直和水平方向的位移均處于較小水平，其中，拱頂沉降量和仰拱隆起量大于水平方向位移，水平方向拱腰處的收斂位移最大。

2.當(dāng)隧道支護(hù)完成，圍巖發(fā)生膨脹變形，對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生進(jìn)一步的壓迫作用，將導(dǎo)致各位置的變形量全部增大。在水平方向，拱腳處收斂位移量變化最大，不同膨脹范圍下約為拱腰和拱肩處位移變化量的2-4倍；在豎直方向，仰拱隆起變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降變化量，原因是由于邊界條件的設(shè)置，隧道模型在膨脹荷載作用在發(fā)生整體向上位移，以至仰拱隆起變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降，但隧道在豎直方向上仍呈現(xiàn)出向隧道中心收斂的趨勢，符合工程實際經(jīng)驗。

3.如圖2所示，隨著圍巖膨脹范圍的增大，將引起圍巖變形量也隨之增大，水平方向最大收斂發(fā)生在拱腳處，而最大變形一直發(fā)生在拱頂處。

塑性區(qū)分析

1.隧道上臺階開挖支護(hù)完成后，圍巖塑性區(qū)主要分布在上臺階底板兩側(cè)，塑性區(qū)最大深度約為2m；中臺階開挖支護(hù)完成后，圍巖塑性區(qū)主要分布在中臺階墻角處和中臺階底板兩側(cè)，塑性區(qū)范圍約為上臺階的兩倍；在下臺階及仰拱開挖后，圍巖塑性區(qū)一直延伸至隧道拱腳處。由上分析，施工時要注意不同開挖部位連接處的支護(hù)強(qiáng)度，初次襯砌施工中要注意打設(shè)鎖腳錨桿的數(shù)量和質(zhì)量，控制鋼拱架接頭板的強(qiáng)度等。

2.隧道開挖完成后，圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道拱腳處，要注意隧道拱腳處的最不利位置發(fā)生破壞；隨著膨脹范圍的不斷增大，塑性區(qū)范圍向拱底方向略有延伸，塑性應(yīng)變極值也隨之增加。因此在施工時應(yīng)注意仰拱要盡早閉合，在必要時可增加仰拱處噴射混凝土的厚度。

結(jié)論

1.隧道開挖后，圍巖總體變形趨勢為：圍巖變形向隧道中心收斂，最大變形一直發(fā)生在隧道拱頂處。圍巖膨脹后，在水平方向上對拱腳的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱肩和拱腰；由于邊界條件的設(shè)置在豎直方向上仰拱隆起變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降變化量。

2.在隧道開挖過程中，塑性區(qū)范圍一直出現(xiàn)在每個臺階部位的墻角處和底板的兩側(cè)，因此在隧道分布開挖過程中要注重不同開挖部位連接處的支護(hù)強(qiáng)度。

3.隨著隧道圍巖膨脹范圍的增大，因膨脹變形產(chǎn)生的膨脹壓力也不斷增大，導(dǎo)致圍巖破壞程度增大，造成隧道各測點的變形量均有增加，圍巖塑性區(qū)略有延伸，塑性應(yīng)變極值也有所增加。