地下水作用下近水平巖層隧道塌方機(jī)理分析

李 軍

(遼寧省第三地質(zhì)大隊(duì)，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

0 前言

在地球陸地表面大約3/4 的面積是沉積巖，這些絕大多數(shù)是在海洋和湖泊中形成，原始產(chǎn)狀大部分呈近似水平狀。各巖層之間存在節(jié)理和軟弱結(jié)構(gòu)面，它們對(duì)隧道圍巖具有切割作用，因此很大程度上面影響隧道的穩(wěn)定性［1－3］。地下水也是隧道工程安全性的重要影響因素，可對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生軟化、膨脹作用，從而劣化圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，改變圍巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)［4－8］。本文以萬(wàn)源石塘隧道為工程實(shí)例，分析地下水作用下近水平巖層的隧道塌方機(jī)理。

1 工程概況

城萬(wàn)快速公路通道石塘隧道位于四川盆地，全長(zhǎng)2 730 m(K60+785 ～K63+515)，其水平巖層傾角較緩，具軟硬相間，軟硬巖層性質(zhì)差異大，層間結(jié)合差，泥巖強(qiáng)度低且遇到水極易軟化。區(qū)內(nèi)地下水接受補(bǔ)給的來(lái)源單一，主要為大氣降水，因此地下水的動(dòng)態(tài)變化受大氣降水控制。2012 年12 月7 日晚上十點(diǎn)半，石塘隧道K62+075 處拱頂部位出現(xiàn)坍塌，拱頂坍塌延伸范圍約為K62+075 ～K62+085，塌方量約1 000 m3，拱頂坍塌深度不明，寬10 m 左右;此次坍塌致使K62+070 ～K62+075 之間的拱架嚴(yán)重變形，初期支護(hù)嚴(yán)重破壞;K62+070 ～K62+075 初期支護(hù)混凝土崩裂剝落和掉塊的現(xiàn)象較多。隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 石塘隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)

2 地下水破壞節(jié)理和軟弱結(jié)構(gòu)面

石塘隧道圍巖為近水平巖層，各巖層之間存在軟弱夾層，對(duì)上下巖層具有一定的初始粘合作用。在隧道塌方期間連續(xù)下雨，地下水在一定程度上得到補(bǔ)給。隨著地下水的侵入，軟弱夾層開(kāi)始軟化，上下巖層之間的結(jié)合力逐漸降低。另一方面，由于軟弱夾層軟化，層與層之間如同產(chǎn)生一條裂紋。由于孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，孔隙水壓力增大，等同于在裂縫上下表面施加了一個(gè)均布荷載，其受力見(jiàn)圖2。

圖2 近水平巖層層間裂紋力學(xué)模型(Ⅰ型)

從斷裂與損傷力學(xué)上來(lái)分析，該裂縫屬于Ⅰ型－張開(kāi)型裂紋，其裂紋強(qiáng)度因子為［9］:

式中:KI為I 型張開(kāi)型裂縫強(qiáng)度因子;r 為徑向坐標(biāo);μ 為隧道圍巖的泊松比;E 為隧道圍巖的彈性模量;v 為裂縫面上一點(diǎn)的位移。

強(qiáng)度因子KI是一個(gè)度量裂紋端部應(yīng)力強(qiáng)弱程度的一個(gè)參量且有(a 為裂紋長(zhǎng)度)，Ⅰ型裂紋擴(kuò)展的判據(jù)為［10］:

式中:KIC為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子;θ 為隧道圍巖內(nèi)摩擦角;其余符號(hào)意義同前式。

由上述分析可知，在地下水不斷滲入夾層的作用下，造成裂縫長(zhǎng)度a 增大，促使裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI也增大，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，由于這兩方面原因，裂紋不斷增大，相鄰裂縫貫通，造成多層粘結(jié)一起的巖層成為分離的各層。其形式如圖3。

圖3 粘合和分離巖層簡(jiǎn)圖

在近水平巖層隧道中，圍巖的初始水平向應(yīng)力很小，主要為豎向應(yīng)力，兩種形式的受力簡(jiǎn)圖如圖4，從圖中可知，A 和B 形式下，B 中應(yīng)力明顯大于A中，在B 中巖層容易斷裂，進(jìn)而使受力巖層減少，對(duì)于剩下的巖層受力進(jìn)一步產(chǎn)生不利影響，其斷裂圖如圖5。由于巖層斷裂，巖層整體性受到破壞，巖層自承能力減小，施加在初期支護(hù)拱頂上面的豎向荷載也隨之增加，拱頂變形增大，拱頂下沉也增大。隨著拱頂壓力的增大，拱頂初期支護(hù)下表面拉應(yīng)力增大，拱頂混凝土開(kāi)始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，鋼筋開(kāi)始裸露。初期支護(hù)產(chǎn)生間斷的縱向裂紋。

圖4 兩種形式應(yīng)力圖

圖5 巖層斷裂圖示

裂紋產(chǎn)生之后，地下水侵入裂紋，由于水對(duì)鋼筋混凝土存在腐蝕作用，因此地下水的滲入一定程度影響初期支護(hù)的受力。同時(shí)，地下水順著裂縫滲入隧道，從拱頂?shù)温湓谒淼览锩?。另一方面，拱頂初期支護(hù)在豎向荷載作用下，拱頂下表面為拉應(yīng)力，水平巖層的側(cè)向壓力小，因此縱向裂紋屬于Ⅰ型張開(kāi)型裂紋，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展［11］。之前間斷的裂紋貫通，最終在兩個(gè)相鄰鋼拱架之間的拱頂形成一條縱向裂紋，其形式見(jiàn)圖6。由于相鄰拱架之間的初期支護(hù)在拱頂出現(xiàn)整條縱向裂紋，初期支護(hù)在拱頂不再閉合，整體受力形式被破壞，在豎向荷載作用下，下沉進(jìn)一步加大，尤其當(dāng)裂紋左右兩側(cè)壓力不均勻時(shí)候，造成左右兩邊初期支護(hù)變形不協(xié)調(diào)，對(duì)初期支護(hù)不利。在拱頂下沉的同時(shí)，拱頂上腹斷裂的松散堆積體與完整巖層之間存在空隙，同時(shí)由于堆積體的重力以及初級(jí)支護(hù)抗壓能力下降，空隙不斷向兩側(cè)發(fā)展，與兩側(cè)圍巖開(kāi)始脫離，其力學(xué)機(jī)理，形同Ⅰ型裂紋的發(fā)展。空隙的形成，很大程度決定了隧道坍塌的部位及其輪廓線。由于裂隙存在，初期支護(hù)與圍巖之間不再密貼，支護(hù)與圍巖的聯(lián)合作用消失，支護(hù)變形加大，拱頂裂紋寬度也加大，極易失穩(wěn)破壞。

圖6 裂紋擴(kuò)展圖示

3 環(huán)向裂紋產(chǎn)生、發(fā)展及鋼拱架失穩(wěn)

拱頂在荷載壓力下，縱向裂紋沿軸向擴(kuò)展時(shí)，不可無(wú)限制的發(fā)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到鋼拱架時(shí)候，由于鋼架的剛度，縱向裂紋不再擴(kuò)展，即裂紋跨不過(guò)鋼拱架(見(jiàn)圖7)。

圖7 鋼架的阻裂墻作用

但是由于拱架在拱頂部位未開(kāi)裂斷裂，仍然是閉合拱結(jié)構(gòu)，而剛度很大，但是初期支護(hù)拱頂出現(xiàn)裂紋，在相同的豎向壓力作用下，由于拱架和初期支護(hù)混凝土變形的不協(xié)調(diào)，豎向變形不統(tǒng)一，鋼拱架和初期支護(hù)混凝土之間存在剪切力，這一現(xiàn)象在鋼拱架與縱向裂紋交界處尤為明顯，就可能產(chǎn)生環(huán)向裂紋，由于豎向變形的不統(tǒng)一，即存在豎向剪切力，則裂紋形式如同Ⅱ型裂紋(面外剪切)［12］，見(jiàn)圖8。Ⅱ型裂紋同Ⅰ型裂紋一樣，裂紋端部應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ=，隨著a 加大，應(yīng)力強(qiáng)度因子也加大，裂紋擴(kuò)展到大部分拱圈，如果拱架兩側(cè)均存在很大縱向裂紋，則拱架兩側(cè)均出現(xiàn)環(huán)向裂紋，拱架和初期支護(hù)混凝土開(kāi)始脫離，聯(lián)合受力作用減小。

圖8 Ⅱ型裂紋面外剪切

由于初期支護(hù)存在，根據(jù)達(dá)西定律，初期支護(hù)猶如一條流線，地下水在隧道初期支護(hù)拱腳和仰拱部位聚集，另外，由于拱頂裂紋，地下水滲入隧道內(nèi)部，在隧道底部聚集。導(dǎo)致隧道基地圍巖承載力不足，引起拱腳沉陷或初期支護(hù)沉降，由于沉降發(fā)生，縱向各拱圈沉降不一致，進(jìn)而存在剪切力，造成剪切裂紋，造成結(jié)果是隧道侵限以及相鄰拱圈不能共同受力，最終發(fā)生整體破壞。

4 地下水影響隧道圍巖剪切強(qiáng)度

根據(jù)土力學(xué)有效應(yīng)力原理知道，土中總應(yīng)力等于有效應(yīng)力和孔隙水壓力之和，即:

式中:σ 為總應(yīng)力;σ'為有效應(yīng)力;u 為孔隙水壓力。

因此，地下水作用下，滲流加劇，孔隙水壓力增大，相應(yīng)σ'降低。根據(jù)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論，巖土體的抗剪強(qiáng)度為:

式中:τf表示抗剪強(qiáng)度;φ'、c'表示有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)。

由式(4)可知，地下水作用下圍巖的抗剪強(qiáng)度降低，也是影響隧道圍巖穩(wěn)定的一個(gè)重要原因。

5 結(jié)論

綜上，根據(jù)分析水平巖層受力特點(diǎn)、地下水作用、隧道縱向和環(huán)向裂紋的發(fā)展，以及摩爾庫(kù)倫理論，初步獲得了該隧道塌方的機(jī)理。由于塌方前連續(xù)的降雨，地下水補(bǔ)給，水平巖層軟弱夾層粘結(jié)減弱，受力急劇變化，產(chǎn)生縱向裂紋，同時(shí)由于縱向裂紋產(chǎn)生，拱頂沉降加大，另一方面由于基礎(chǔ)沉降，造成各種環(huán)向裂紋，尤其在鋼拱架邊上環(huán)向裂紋，從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況看，隧道塌方時(shí)從局部到整體的失穩(wěn)過(guò)程，剛支撐屈曲失穩(wěn)。由于縱橫向裂紋以及圍巖自承力下降，隧道初期支護(hù)被破壞，在連續(xù)降雨后發(fā)生大規(guī)模坍塌。

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