富水黃土隧道圍巖軟化對結構受力影響研究

張堂杰

(1.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210017; 2.江蘇省地下空間探測技術工程研究中心,江蘇 南京 210017)

0 引言

對于黃土隧道工程,在圍巖處于較低含水量或非飽和黃土時,隧道圍巖和隧道支護結構穩定性一般較好,一旦巖土體含水率增大,圍巖結構自穩能力則急劇下降,造成隧道支護結構變形,更有甚者導致支護結構破壞。近十幾年來,高含水率或飽和(可簡稱富水)黃土造成的施工技術難題和運營階段的隧道結構病害越來越多,給隧道施工設計和后期運營養護帶來很多挑戰。

目前國內一些專家學者對高含水率黃土隧道進行了理論研究和工程實踐,劉曉杰等[1]通過現場監測對黃土隧道圍巖變形規律進行了分析,并提出了采用拱腳鋼管樁與帷幕注漿來控制滲漏水及圍巖大變形控制的措施。來弘鵬等[2]通過數值模擬了富水黃土隧道上覆軟塑黃土層距隧道拱頂不同距離下隧道開挖卸載過程中圍巖水分遷移規律。梁慶國等[3]結合該富水黃土隧道圍巖變形特征現場監測與對比分析,討論了經帷幕注漿加固效果。張民慶等[4]對深埋富水黃土隧道地表深孔剛性袖閥管注漿試驗研究。王釬[5]以某大斷面黃土隧道為工程背景,通過數值模擬和現場監測的方式,研究了高含水率黃土隧道初期支護的力學特性。劉保成等[6]以賈家灣隧道富水段為研究背景,分析了圍巖變形的原因,提出了富水黃土隧道變形控制關鍵措施。劉志強等[7]針對寶蘭線高含水率黃土隧道,通過對不同施工情況下的黃土隧道進行數值計算得出:早封閉對控制沉降變形極為有利。蘇春暉等[8]通過PLAXIS有限元軟件,對富水黃土隧道圍巖含水率的變化對隧道穩定性影響進行了研究。宋維龍等[9]針對某黃土隧道襯砌開裂病害,通過有限元軟件進行數值模擬,分析了多種圍巖浸水工況下隧道結構的變形規律和受力特征。陳鶴等[10]通過對富水黃土隧道的現場監測,分析了隧道應力、位移的變化規律,發現初期支護產生一定的安全變形反而有利于隧道的施工安全。王新東[11]進行了實驗研究,得到了高含水率黃土隧道在不同含水率條件下的變形特征。周小賓[12]結合富水黃土張茅隧道,通過數值模擬和現場實測的方法,分析了黃土隧道的圍巖受力機理及變形規律。王學敬[13]基于進口段淺埋偏壓及高含水率黃土隧道,對其施工變形機理進行了研究。劉濤等[14]采用現場監測的方式,對黃土塬區早勝三號隧道圍巖含水率進行研究,結果表明:黃土隧道圍巖含水率呈現“增大-波動-平穩”的變化趨勢。劉俊平[15]通過現場調研,總結出了董志塬區地下水分布特征,并分析了地下水對黃土隧道工程的影響。

綜上所述,目前行業內專家學者雖然對富水黃土隧道作了一定研究,但是針對黃土隧道圍巖軟化過程的研究成果較少,尤其是黃土隧道圍巖在水作用下軟化過程、軟化范圍及襯砌變化規律缺乏相應的研究成果。因此,對黃土隧道圍巖軟化過程進行精細化分析還有待近一步研究。本文以榆林子隧道為工程背景,通過數值模擬和現場調研,重點分析圍巖的不同軟化階段和軟化范圍對黃土隧道圍巖及襯砌的變形規律,以期為富水黃土隧道工程施工設計提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

2 數值模型建立

2.1 模型建立

針對黃土的工程地質特性,采用有限元數值分析軟件ABAQUS,對于圍巖遇水軟化后圍巖強度降低的工況進行數值建模分析,模擬隧道開挖施工過程,利用其溫度場實現施工完成后的軟化過程模擬;可以得到隧道開挖完成后產生的塑性區,如圖2所示,塑性區最大影響范圍為3 m。因此,我們軟化范圍以隧道輪廓為初始邊界,向外擴展取3 m,如圖3所示。隧道開挖后會產生應力重分布,其影響范圍一般為隧道周圍3倍～5倍洞徑,因此,為避免邊界效應的影響,隧道左右邊界和下邊界取3倍的洞徑,所選斷面隧道埋深按照實際工程取90 m,模型范圍取值為110 m(長)×150 m(寬),圍巖、初期支護、二次襯砌采用平面應變單元CPE4模擬,計算中不考慮錨桿影響,將其認為是對隧道開挖擾動圍巖的補償。

隧道施工采用三臺階七步開挖,具體施工步驟為:1)上臺階弧形導坑開挖并支護;2)左中臺階并支護;3)右中臺階開挖并支護;4)左下臺階開挖并支護;5)右下臺階開挖并支護;6)核心土開挖;7)仰拱開挖并支護;8)仰拱填充層施作;9)二次襯砌施作。模型網格劃分和支護見圖4。

2.2 模型假定

1)假定土體為各向同性的均質土,彈塑性體,本構模型采用Mohr-Coulomb;2)初始應力只考慮自重應力;3)忽略時間效應,認為每一步開挖和支護一步到位;4)模型不考慮滲流場的作用,將地下水的影響簡化為對圍巖力學參數的折減作用。

2.3 計算參數

將隧道開挖后圍巖在水的浸泡作用下軟化過程分為三個階段,分別為初始軟化階段(K1)、中軟化階段(K2)及強軟化階段(K3),通過數值模擬著重分析圍巖軟化過程對隧道結構的力學效應的影響。根據圍巖的結構特征,參照現場地勘資料和JTG 3370.1—2018公路隧道設計規范,給出隧道結構和圍巖的各類物理力學參數指標如表1,表2所示。

表1 隧道結構力學參數

表2 圍巖力學參數

2.4 計算工況

分別考慮軟化階段和軟化范圍兩個因素,計算工況共有9種,具體的工況計算表如表3所示。

表3 計算工況表

3 結果分析

3.1 位移分析

3.1.1 圍巖變形

圍巖變形量影響著隧道開挖和支護是否及時可靠,為分析隧道開挖和軟化后的圍巖變形規律,提取拱頂和隧底位置的變形,圍巖豎向位移云圖如圖5所示。圍巖變形隨開挖分析步的變化曲線如圖6所示。圍巖軟化后不同軟化階段隨軟化范圍變化曲線如圖7所示。

由圖5可以看出,對比圍巖軟化前后的位移云圖,軟化后圍巖隆起和沉降數值均在變大,圍巖豎向位移變化范圍逐漸擴大,其中圍巖隆起最大值由隧底處下移,說明軟化后圍巖的豎向變形及其影響范圍變化顯著。

由圖6可以看出,拱頂沉降和隧底隆起值隨開挖分析步呈現先快速增大后逐漸趨于穩定,從具體開挖步來看,隨著上臺階的開挖拱頂沉降和隧底隆起變化較快,沉降值約為隆起值的2倍,此后隨著中臺階和下臺階的開挖和支護,圍巖變形逐漸增大;在仰拱開挖時,拱頂沉降已基本穩定在107.39 mm,而隧底隆起有較小幅度的增長,在仰拱封閉后變形趨于穩定,最終隆起值為104.05 mm。

從圖7可以看出,在隧道開挖完成后,圍巖軟化過程中,總體來看,隨著軟化范圍的變化,拱頂沉降逐漸增大,而隧底隆起值呈現減小的趨勢。在軟化階段K1圍巖變形變化小,基本與初始值相接近;軟化階段K2和軟化階段K3,在軟化范圍1 m時變化較小,在軟化范圍2 m后變化幅度較大;以軟化階段K3為例,拱頂沉降由開挖完成后的數值107 mm增大為152 mm,變化幅度達到42%,隧底隆起值由103 mm減小為58 mm,變化幅度為44%?？梢妵鷰r軟化對于隧道的變形影響很大,因此,在黃土隧道施工過程中應及時排除地下水,避免圍巖進一步劣化,對隧道的穩定產生不良影響。

3.1.2 仰拱填充層隆起變形

仰拱填充層是隧道重要的組成部分,仰拱填充層是否穩定直接影響隧道施工質量安全和運營期的行車安全性及舒適性。為研究隧道圍巖軟化對仰拱填充層的影響,提取仰拱填充層中心單元E3,1/4位置單元E2以及拱腳單元E1的變形值,繪制其與軟化階段和軟化范圍的關系曲線如圖8所示。

從圖8可以看出,仰拱填充層中心、1/4位置以及拱腳處的隆起變形規律基本一致,都隨軟化階段和軟化范圍的增大不斷增大,在軟化階段K1,仰拱填充層單元E1,E2,E3的隆起變形的增大速率較快,在軟化范圍為3 m時,單元E1,E2,E3的隆起變形都達到最大值,其中仰拱填充層中心隆起量最大;在軟化階段K2和K3,仰拱填充層單元E1,E2,E3的隆起變形的增大速率在軟化范圍為2 m后放緩,說明軟化范圍在2 m之后對仰拱填充層的影響較小,并逐漸趨于穩定,說明仰拱填充層的隆起變形主要在塑性區內變化。在三個軟化階段中的仰拱填充層隆起最大值均出現在仰拱填充層中心,隨著隆起增大,可能會導致仰拱填充層內部脫空現象發生。因此,在高含水率黃土隧道設計中應重點關注仰拱填充層中心位置變形,施工過程中密切監測仰拱填充層中心的隆起變形值。

3.2 應力分析

以軟化階段K3為例,提取不同軟化范圍下的襯砌最大主應力云圖,如圖9所示。

從圖9可以看出,在軟化范圍0即未軟化時,隧道結構最大主應力很小,結構處于安全狀態,隨著軟化范圍的增大應力逐漸增大,最大應力值主要集中在拱腳和仰拱填充層中部,在軟化深度3 m時達到1.55 MPa,可以看出圍巖遇水后對結構的影響極為不利。

3.2.1 仰拱填充層應力分析

由應力云圖(如圖9所示)可以看出仰拱填充層應力呈對稱分布,因此,為分析三個軟化階段下仰拱填充層單元隨軟化范圍的變化規律,可取結構的一半進行分析。通過提取仰拱填充層中心單元E3,1/4位置單元E2以及拱腳單元E1的最大和最小主應力,繪制其與軟化階段和軟化范圍的關系曲線見圖10。

由圖10可以看出,軟化階段和軟化范圍的改變,對仰拱填充層的應力變化有一定影響。分別對仰拱填充層單元E1,E2,E3位置的受力進行分析,拱腳單元E1在和軟化階段K1和K2的最大主應力均表現為受拉,隨著軟化范圍的增大而增大,但是增大的趨勢較小,在軟化階段K3單元E1的最大主應力隨著軟化范圍的增大反而減小;單元E1在三個軟化階段的最小主應力均表現為受壓,且隨軟化階段和軟化范圍的增大而不斷增大,總的來看,仰拱填充層拱腳位置的應力變化受到圍巖軟化的影響較小。

仰拱1/4和隧底位置單元E2,E3的最大主應力隨軟化階段和軟化范圍的變化較為一致,都隨軟化階段和軟化范圍的增大而增大,但其增大趨勢隨軟化階段逐漸減小,最大值出現在軟化階段K3軟化范圍為3 m時,最大值位置為仰拱填充層中心,大小為1 555 kPa;單元E2,E3的最小主應力隨軟化階段和軟化范圍的增大也不斷增大;總的來看,軟化范圍增大到3 m時,圍巖軟化對仰拱填充層的受力影響逐漸減小,圍巖軟化對仰拱填充層中心影響最大,在設計施工中必須引起重視。

3.2.2 初期支護應力分析

初期支護作為隧道的主要承載結構,通過研究不同軟化階段下隨軟化范圍變化的初期支護應力來分析隧道結構的受力變化。從上述云圖(如圖9所示)可看出襯砌應力分布較為對稱,因此,取一半結構提取拱頂單元E1、邊墻單元E2和拱腳單元E3的最大和最小主應力進行分析,如圖11所示。

由圖11可以看出,初期支護最大主應力均為正,最大值出現在拱腳位置,數值為1 339 kPa。拱頂、拱墻、拱腳的最大主應力隨軟化階段和軟化范圍的增大而增大,拱腳處應力的增大較為明顯,而拱墻和拱頂的應力變化較小,說明圍巖軟化對拱墻和拱頂受力的影響較小,而對拱腳受力的影響較大,外圈軟化后受到圍巖的擠壓作用,并且隨軟化范圍擴大擠壓作用愈發明顯,導致拱腳的應力明顯增大,受拉狀態不斷增強。拱墻處最小主應力在軟化范圍增大到2 m后趨于穩定,拱頂、拱腳的最小主應力隨軟化范圍的擴大逐漸增大。總的來看,圍巖軟化會導致初期支護拱腳位置產生較大的拉應力,對于拱腳結構穩定產生不利影響。

4 結論

本文以實際工程為背景,通過現場調研和數值摸擬,設置不同軟化階段和軟化范圍,分析了隧道施工過程中圍巖軟化導致的結構變形和應力變化,得出了如下幾個結論:

1)拱頂沉降隨軟化范圍的擴大呈現增大趨勢,而隧底隆起逐漸減小。

2)仰拱填充層隆起變形隨軟化范圍擴大逐漸增大,當軟化范圍超過隧道圍巖塑性區后逐漸趨于穩定;由于仰拱填充層的隆起可能導致隧道仰拱內部產生脫空現象。

3)圍巖軟化對拱墻和拱頂受力的影響較小,而在初期支護拱腳位置產生較大的拉應力,導致拱腳穩定性受到較大影響。

4)由于地下水滲流后在拱腳處匯集,使得拱腳圍巖快速軟化,導致拱腳部位承載能力下降,且在施工擾動作用下,引起附加沉降,結構應力增大,如果不采取措施會造成支護結構開裂、侵限和塌方等災害發生,因此施工現場應加強隧道防排水體系的設計,重視隧道基底的加固處理。

5)通過研究發現圍巖軟化對于隧道的影響主要在塑性區范圍內,在富水黃土隧道施工和后期運營過程中,應密切注意塑性區內的地下水賦存狀態,避免圍巖進入強軟化階段。