考慮襯砌腐蝕的隧道圍巖分級修正分析

韋紅亮

(廣西壯族自治區高速公路發展中心,廣西 南寧 530022)

0 引言

石膏質巖在水條件下溶出的硫酸根離子與混凝土襯砌水泥水化物發生化學反應[1-2],引起混凝土脹裂,致使混凝土結構承載能力發生下降。我國中西部地區石膏質巖分布廣泛,其對混凝土襯砌產生侵蝕脹裂一直是隧道工程領域研究的熱點問題。由于石膏質巖對混凝土的腐蝕機理復雜,國內外學者主要從理論和試驗等方面研究石膏質巖對隧道工程混凝土襯砌結構的侵蝕。吳銀亮等[3]通過X光試驗分析了石膏質巖化學及礦物組成,研究了石膏質巖工程力學特性及其對混凝土劣化機理。陳志明[4]通過試驗驗證了石膏質巖對混凝土結構具有膨脹和腐蝕特性,同時結合數值計算分析了石膏質巖的膨脹及腐蝕特性對隧道結構穩定性影響。任松等[5]通過開展正交試驗,對石膏質巖隧道混凝土襯砌的腐蝕特性進行研究。吳建勛等[6]通過對脫水石膏和硬石膏進行膨脹力試驗,分析了石膏質巖膨脹性及其對隧道仰拱受力的影響。姜淑花等[7]通過室內試驗,探討了石膏質巖自由膨脹率、軸向膨脹率、膨脹力等特性與初始干密度及吸水率的關系,分析了石膏質巖膨脹特性的影響因素。張叢林等[8]對石膏類礦物含量各異的巖樣在干濕循環條件下開展了飽和單軸抗壓強度試驗,分析了石膏質巖在干濕循環影響下的應力應變關系,研究了石膏質巖在干濕循環影響條件下強度特征。萬飛等[9]依托隧道病害處治工程實例,在隧道病害處治施工階段和運營階段對6個不同病害現象的典型斷面新置換襯砌結構的初期支護變形、初期支護鋼架應力、初期支護-圍巖接觸壓力、初期支護-二次襯砌接觸壓力等進行為期2.5年的現場測試,分析了石膏質巖隧道襯砌結構置換施工后的受力特征。

由于石膏質巖對混凝土的腐蝕機理和影響因素較為復雜,石膏質巖對混凝土的腐蝕性尚無法進行量化研究。工程實踐應用上,除提高混凝土襯砌抗滲能力外,優化隧道襯砌結構是目前石膏質巖隧道抗腐蝕處治的主要方式,具有良好的安全性和可靠性。但在勘察設計中,需要對隧道圍巖分級進行合理修正才能保證工程結構具有良好的耐久性和經濟性。本文基于通過優化隧道結構設計提高耐久性的思路,采用數值計算分析了石膏質巖條件下混凝土隧道襯砌的腐蝕對隧道結構襯砌力學性能的影響,同時基于隧道圍巖分級體系,提出了基于BQ值修正的石膏質巖圍巖分級方法,為石膏質巖地區隧道工程設計提供參考依據。

1 數值計算

1.1 石膏質巖隧道混凝土襯砌腐蝕模型

文獻[9]基于以下簡化和假設,建立混凝土腐蝕模型:石膏質巖下混凝土腐蝕狀態分為無腐蝕劣化、部分腐蝕劣化和完全腐蝕劣化三種狀態,將腐蝕厚度作為衡量混凝土腐蝕程度的量化參數指標。文獻[10]基于損傷力學理論,對受硫酸鹽侵蝕的混凝土結構力學參數變化過程進行簡化,將其轉化為混凝土結構的有效承載面積,建立了混凝土完全腐蝕厚度模型,提出了考慮腐蝕時間影響的腐蝕厚度與抗壓強度的關系,如式(1)所示:

(1)

式中:l(t)——混凝土的腐蝕厚度(m);

l0——混凝土未腐蝕劣化狀態下中心到外表面的距離(m);

σ——無損傷狀態下混凝土構件的有效抗壓強度(MPa);

σ(t)——損傷狀態下混凝土構件的有效抗壓強度(MPa);

t——腐蝕時間(d)。

文獻[11]選取混凝土的單軸抗壓強度變化量與未腐蝕時間的比值定義腐蝕系數,并通過設計正交試驗,得到石膏圍巖隧道襯砌結構腐蝕系數與腐蝕時間的關系,如式(2)所示:

C=0.012 6 lnt+0.023 8

(2)

式中:C——腐蝕系數;

t——腐蝕時間(d)。

對隧道混凝土襯砌而言,混凝土襯砌有效厚度等于混凝土襯砌初始厚度減去腐蝕厚度。基于以下假設,可以認為隧道混凝土襯砌腐蝕厚度與腐蝕時間滿足如式(3)所示的關系。其中,混凝土襯砌結構為一個整體,與圍巖緊密接觸,承受全部的圍巖壓力;在進行混凝土襯砌力學分析時,混凝土襯砌斷面沿圍巖壓力作為方向的截面為正方形。

(3)

式中:l(t)——隧道混凝土襯砌的腐蝕厚度(m);

l0——未腐蝕狀態下隧道混凝土中心到外表面的距離(m);

t——腐蝕時間(d)。

1.2 數值計算模型

數值計算模型如圖1所示。模型中,隧道結構跨度為8 m,混凝土襯砌斷面為四心圓,厚度為70 cm,強度級別為C40,水平寬度為88 m;左右邊界水平約束,地表面取自由表面,底部設豎直約束,分別約束左右邊界的水平位移,約束下邊界的豎向位移,上邊界為自由邊界,不考慮地下水滲流作用。計算中,圍巖采用Mohr-Coulomb模型進行模擬,二次襯砌采用彈性模型模擬。隧道圍巖和混凝土襯砌參數如表1所示。數值計算中,為考慮隧道埋深對襯砌應力的影響,分別選取埋深為50 m、100 m、200 m、400 m和500 m五種工況進行計算。

表1 計算模型材料參數表

圖1 數值計算模型和拾取點分布圖

在數值計算模型中,結合混凝土襯砌腐蝕模型,將隧道圍巖與混凝土襯砌視為彈性體并考慮其自重,由混凝土襯砌承受圍巖的全部荷載作用。數值模擬過程的分析步包括地應力平衡、激活襯砌結構和移除開挖的土體,通過改變相互作用控制模塊中的型號來控制襯砌結構與開挖土體的作用狀態,從而模擬隧道開挖的整個過程。具體的數值模型建立及計算流程如圖2所示。腐蝕厚度作為混凝土襯砌腐蝕程度的量化參數指標,在數值模擬之前,先結合混凝土襯砌腐蝕模型對混凝土襯砌腐蝕厚度及剩余厚度進行計算,數值計算中將襯砌剩余厚度作為襯砌厚度,結果如圖3所示。

圖2 數值計算流程圖

圖3 不同腐蝕時間下混凝土襯砌的腐蝕厚度及剩余厚度計算結果曲線圖

1.3 石膏質巖腐蝕時間對隧道混凝土襯砌力學性能的影響分析

埋深50 m條件下,處于未腐蝕劣化狀態和腐蝕劣化50年狀態下的隧道襯砌壓應力云圖如圖4所示。

圖4表明,在相同埋深條件下,襯砌拱腳位置所受到的壓應力最大,其次分別是拱腰、拱肩、拱頂,拱底最小。在未腐蝕劣化狀態下,拱腳壓應力達到了2.296 MPa,在腐蝕劣化50年條件下,拱腳壓應力達到了2.412 MPa。混凝土襯砌腐蝕后,受力增大,拱腳的壓應力最大,襯砌拱腳的壓應力增長變化情況可視為混凝土襯砌整體受力變化。

不同埋深和腐蝕劣化狀態條件下,隧道襯砌拱腳處壓應力變化如表2所示。

表2 拱腳在不同埋深和不同腐蝕時間下的壓應力計算結果表

由表2可知:

(1)在相同腐蝕時間條件下,拱腳壓應力隨隧道埋深的增加而增加。

(2)受腐蝕時間的影響,拱腳壓應力隨著腐蝕時間的增加而增大,壓應力變化規律與襯砌腐蝕厚度的變化規律大致相同。

(3)石膏質巖對混凝土襯砌的腐蝕是一個較為漫長的過程,腐蝕0～10年襯砌的壓應力變化是較為明顯的,增加率達到12.88%,增加量達到總增加量的68.2%;腐蝕時間超過10年后,襯砌結構壓應力變化越來越小,腐蝕時間超過80年后,壓應力幾乎無明顯改變。

對襯砌拱腳部位的第一主應力、第三主應力、豎向應力、水平應力及壓應力的增長率進行統計,結果如表3所示。

表3 混凝土襯砌腐蝕時間周期內拱腳部位的受力增長變化統計表

由表3可知:

(1)石膏質巖對混凝土襯砌的腐蝕作用是有限的,襯砌腐蝕所引起的受力變化也是有限的。由此可認為,石膏質巖對70 cm厚襯砌腐蝕作用在80～100年之間達到極限且趨于穩定。

一礦共有三對副井，即院內副井、北一副井、北二副井，分別服務于一、二、三水平，均為立井提升，負責各水平的升降人員和提升物料等輔助提升任務。院內副井提升系統核定能力為173.83萬t/a，北一副井提升系統核定能力為292.82萬t/a，北二副井提升系統核定能力為92.41萬t/a，提升系統總核定結果為559萬t/a。

(2)石膏質巖隧道襯砌腐蝕引起的自身受力增長最大達19.7%。

2 考慮襯砌腐蝕的石膏質巖隧道圍巖分級修正

基于優化隧道結構設計提高耐久性的思路,將襯砌腐蝕導致隧道襯砌結構壓應力的增加轉換為隧道圍巖壓力的增加,應對圍巖級別進行修正。根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)[12]中圍巖壓力與圍巖級別的關系如式(4)所示:

(4)

式中:q——垂直均布壓力(kPa);

γ——圍巖的重度(kN/m3);

hq——等效荷載高度(m);

s——圍巖級別,如Ⅰ級圍巖,s=1;

ω——寬度影響系數;

B——坑道寬度(m);

為降低襯砌腐蝕對隧道襯砌結構壓應力的影響,引入受力影響系數α對q進行修正;受力影響系數α指襯砌腐蝕后的受力指標與襯砌腐蝕前的受力指標之比。根據式(4),得到:

(5)

式中:q′——修正后垂直均布壓力(kPa);

s′——修正后圍巖級別。

數值計算表明,石膏質巖隧道襯砌腐蝕引起的結構壓應力增加最大可達19.7%,因此,受力影響系數α取1.20,可得:

s′=s+0.263

(6)

由于隧道圍巖的物理力學指標與圍巖級別關系密切,在條件復雜難以按試驗資料確定圍巖的物理力學指標時,可根據圍巖級別確定。此外,根據我國現行設計規范,隧道圍巖級別劃分為Ⅰ～Ⅵ六個級別,圍巖級別與圍巖基本質量指標BQ的取值范圍相對應,圍巖級別與BQ值沒有特定的函數關系。為確保隧道工程在滿足耐久性的條件下具有良好工程經濟性,需要將圍巖級別的修正轉換為對圍巖基本質量指標BQ值的修正。

現定義圍巖基本質量指標修正系數λc為:

λc=BQ′/BQ

(7)

BQ′是考慮混凝土襯砌腐蝕的修正的BQ值,而BQS是原圍巖級別對應的BQ值。

我國《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)規定的圍巖分級BQ的分級取值范圍如表4所示。

表4 圍巖分級BQ的分級取值范圍表

由表4可知,圍巖級別只是與BQ的取值范圍相對應,圍巖級別與BQ值沒有特定的函數關系,對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖的修正并不能直接找到BQ值對應。為解決此問題,在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖的分級取值范圍內分別取100個點,再分別取均值,對圍巖級別和圍巖級別所對應的均值點進行擬合,擬合結果如圖5和式(8)所示。

圖5 BQ值與圍巖級別的擬合函數圖

BQ=-100s+700

(8)

結合式(6)可得:

BQ′=BQ-26.3

(9)

由于石膏質巖通常處于Ⅳ和Ⅴ圍巖,結合BQ擬合函數和Ⅳ、Ⅴ級修正圍巖級別,對圍巖的腐蝕修正系數進行計算,得到Ⅳ級圍巖的腐蝕修正系數如式(10)所示:

(10)

圖6為未修正和經修正后的不同圍巖基本質量指標BQ值所對應的隧道圍巖級別。由圖6可知:

圖6 圍巖BQ值對應的隧道圍巖級別劃分示意圖

(1)當BQ值分布在250～276時,隧道圍巖級別從Ⅳ調整為Ⅴ;當BQ值分布在351～376時,隧道圍巖級別從Ⅲ調整為Ⅳ。

(2)盡管部分BQ值經修正后,圍巖級別不變,但是考慮了石膏質巖具有的腐蝕特性,隧道支護結構的設計承載能力和耐久性要求更高,針對石膏質巖特殊性質也應采取一些額外應對措施,保證隧道圍巖和支護結構的穩定。

3 工程實例

選取某隧道作為依托工程,對考慮石膏質巖特性的圍巖分級修正方法進行驗證。隧道設計為鐵路雙線單洞隧道,全長約2 300 m,埋深最大達550 m。隧道穿越的地層巖體中石膏巖類含量達到43.5%以上,隧道所處位置主要呈現出一種低中山區的水文地質地貌。隧址區域年均降水量達到了500～600 mm,隧道所處區域的地下水類型為裂隙-巖溶水,且區域地下水的補給水源主要依賴于大氣降水,地下水的徑流條件較好。隧道內部的地下水滲流、滲漏情況主要是以滴水、浸潤為主,極個別地段呈現流水狀態。開通運營8年后,隧道K298+734、K296+230和K296+430等區段出現拱腳及邊墻裂縫及拱腰開裂、邊墻向內擠壓、二襯滲水等嚴重病害。

為對隧道病害原因進行分析,對隧道區段圍巖進行鉆芯取樣。對試樣體積節理數進行了統計,并開展單軸抗壓強度試驗和巖石縱波波速試驗,結果如表5所示。

表5 部分病害區段圍巖力學指標參數表

采用考慮石膏質巖綜合特性的圍巖分級修正方法對該隧道部分病害區段的圍巖進行分級,為驗證該分級修正方法的準確性,將分級結果與圍巖分級BQ值結果進行對比,結果如表6所示。

表6 圍巖分級結果對比表

由表6可知,對隧道圍巖BQ值進行修正后,K296+230、K296+430和K298+734區段隧道的圍巖級別出現下降,從Ⅳ級降至Ⅴ級;K303+840、K293+430斷面圍巖級別雖保持Ⅳ級,但BQ值已接近Ⅴ級圍巖的劃分標準。此外,修正后圍巖級別發生變化的斷面出現了襯砌開裂等嚴重病害,驗證了考慮混凝土襯砌腐蝕的石膏質巖圍巖分級修正方法的合理性,也說明了在設計中考慮對BQ值修正的必要性。

此外,三處嚴重病害路段隧道圍巖滲流水的流速呈正態分布,絕大部分統計點的滲流水流速約為200 mL/min,且在隧道中所有發生病害的區段,有滲流水的占總病害數量的80%,這也表明了地下滲流水與隧道病害的發生存在一定的關聯。

4 結語

本文針對石膏質巖腐蝕性對圍巖分級的影響展開研究,結合混凝土襯砌腐蝕有限元數值模型,分析了不同埋深、不同腐蝕時間條件下混凝土襯砌的受力狀態及其受力變化規律。同時,將修正圍巖級別與圍巖分級BQ值結合,提出了考慮混凝土襯砌腐蝕的石膏質巖圍巖分級修正方法。主要結論如下:

(1)隧道襯砌壓應力的變化規律與襯砌腐蝕厚度的變化規律大致相同。隧道襯砌的壓應力隨著埋深和腐蝕時間的增加而增大;腐蝕前10年,拱腳處壓應力的增速最大,增量可達總增量的68.2%;腐蝕10年后,襯砌壓應力雖仍在增長,但增長速率較為緩慢。

(2)考慮石膏質巖腐蝕性條件下,Ⅳ、Ⅴ級圍巖的修正系數取值分別為0.91、0.87。BQ值分布在250～276、351～376時,考慮石膏質巖腐蝕性的修正對圍巖級別劃分影響較大;盡管部分BQ值經修正后,圍巖級別不變,但是考慮了石膏質巖具有的腐蝕特性,對隧道支護結構的設計承載能力和耐久性要求更高,應采取相關應對措施,保證隧道結構的穩定。

(3)經對發生病害的隧道圍巖進行鉆芯取樣,開展圍巖分級修正評價,結合隧道病害原因分析,驗證了考慮混凝土襯砌腐蝕的石膏質巖圍巖分級修正方法具有合理性。

(4)隧道襯砌受力狀態受隧址地層巖性特性和隧道襯砌結構形狀尺寸等多因素的影響,本文僅對單一地層巖性分布特征和單一襯砌形狀尺寸條件下隧道襯砌受力狀態進行分析,建議對多種地層和隧道襯砌結構進行計算分析。同時,建議對不同硫酸鹽含量濃度下的石膏質巖隧道襯砌受力狀態進行長期監測,為掌握石膏質巖腐蝕下隧道襯砌受力狀態變化規律和影響因素提供依據。