考慮結(jié)構(gòu)性影響的黃土隧道圍巖參數(shù)修正

馬 林，張 軍，趙建斌

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原030006)

我國黃土分布廣泛，面積約63萬km2，主要集中在山西、陜西、甘肅和寧夏等地[1－3]。由于所處地區(qū)典型的干旱半干旱氣候，形成了黃土特有的大孔隙結(jié)構(gòu)、垂直節(jié)理發(fā)育、遇水濕陷大變形等[4－6]特征，學(xué)術(shù)上將其統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)性[7－8]。黃土隧道就是以這種具有典型結(jié)構(gòu)的黃土作為圍巖，在其修建和運營過程中出現(xiàn)了許多工程病害。現(xiàn)有的理論或解釋多是套取巖質(zhì)隧道設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗[9－10]，提出的措施治標不治本，在較長時間內(nèi)很快出現(xiàn)新的病害。黃土隧道與巖質(zhì)隧道本質(zhì)區(qū)別在于圍巖，因此，本文以山西典型黃土隧道為基礎(chǔ)，從黃土隧道圍巖特性出發(fā)，分析考慮黃土隧道圍巖結(jié)構(gòu)特性影響的隧道變形規(guī)律，最后以現(xiàn)場實測結(jié)果為基準進行不同圍巖級別參數(shù)反演，依據(jù)等效原理，間接考慮結(jié)構(gòu)性對隧道圍巖的影響，提出適合黃土隧道的各級圍巖設(shè)計參數(shù)。

1 黃土隧道圍巖等級劃分

根據(jù)大量黃土隧道工程調(diào)研及室內(nèi)外試驗[11]，從黃土的物理力學(xué)性質(zhì)方面對黃土隧道設(shè)計參數(shù)進行了劃分，提出了不考慮隧道圍巖結(jié)構(gòu)特性的推薦設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 黃土隧道圍巖等級設(shè)計參數(shù)推薦表

表1中明確的給出了各級黃土隧道圍巖的具體取值，為黃土隧道設(shè)計提供了卓有成效的理論依據(jù)。但從表1中不難發(fā)現(xiàn)，黃土隧道圍巖的特性未體現(xiàn)。原因是由于黃土隧道在開挖過程中，隧道圍巖受到擾動將發(fā)生部分破壞或整體破壞，圍巖土體的強度將降低，而在表1中，強度參數(shù)為初始強度，且取為定值，顯然與實際不相符。因此有必要對推薦表進行修正。

2 圍巖土體物理力學(xué)指標分析

首先進行了圍巖土體的室內(nèi)土工試驗，開展了不同土體狀態(tài)(原狀土、重塑土、飽和原狀土)、不同固結(jié)圍壓(50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa)和不同含水率(5%、10%、15%、18%、22%)下的三軸壓縮試驗。得到了圍巖土體的基本物理性指標見表2。

表2 油坊溝隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

在探討結(jié)構(gòu)性發(fā)展演變規(guī)律時采用的是應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)[12]，該結(jié)構(gòu)性參數(shù)能較好的反映圍巖隧道的力學(xué)特性，其表達式為:

式中:mσ為應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù);σo、σr和σs為原狀土、重塑土和原狀飽和土的應(yīng)力值。

分析了土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律，如圖1～圖5所示。

結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨應(yīng)變的變形規(guī)律基本呈單調(diào)遞減規(guī)律，一定應(yīng)變時處于平緩階段，可用冪函數(shù)進行擬合，同時分析了結(jié)構(gòu)性參數(shù)與圍壓、含水率及強度之間的關(guān)系，如式(2)～式(6)，為后續(xù)的數(shù)值計算奠定了基礎(chǔ)。

圖1 含水率為5%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖2 含水率為10%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖3 含水率為15%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖4 含水率為18%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

圖5 含水率為22%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

3 黃土隧道圍巖參數(shù)優(yōu)化思路

由于黃土結(jié)構(gòu)性在引用時較為復(fù)雜，為方便工程應(yīng)用，擬考慮將其等效化處理。黃土隧道圍巖參數(shù)優(yōu)化時，首先考慮結(jié)構(gòu)性影響時隧道圍巖變形規(guī)律數(shù)值模擬(具體模擬步驟如下:通過室內(nèi)試驗得出結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強度參數(shù)、圍壓、含水率及軸向變形的關(guān)系，通過Fish語言編程，將建立的相關(guān)關(guān)系引入到隧道模型開挖中，實現(xiàn)考慮結(jié)構(gòu)性影響時隧道圍巖變形規(guī)律的數(shù)值模擬)，以得出的隧道橫斷面和縱斷面圍巖變形值為基礎(chǔ)進行參數(shù)反演，取反演后的隧道圍巖變形值與結(jié)構(gòu)影響時的隧道圍巖變形值比較，直至二者數(shù)據(jù)吻合為止。取當前的參數(shù)為修正后隧道圍巖參數(shù)推薦值。

4 黃土隧道圍巖參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

選取山西典型黃土隧道為依托，建立數(shù)值計算模型，尺寸為80 m×50 m×70 m(長 × 寬 × 高)，計算準則采用Mohr－Coulomb強度準則。邊界條件為模型底部三個方向全約束，沿隧道軸線方向約束前后兩個表面的Y方向，垂直隧道軸線方向約束左右兩個表面的X方向，上表面為自由表面，開挖方式為三臺階法，進尺為1 m。如圖6所示。模型計算參數(shù)見表3。

圖6 隧道計算模型

表3 隧道模型計算參數(shù)表

4.1 隧道圍巖變形規(guī)律分析

為說明圍巖結(jié)構(gòu)性特性對隧道開挖變形的影響，對比分析了考慮結(jié)構(gòu)性變化和不考慮結(jié)構(gòu)性變化時的拱頂水平位移和沉降、地表水平位移和沉降曲線的差異，分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，同一圍巖級別時考慮圍巖結(jié)構(gòu)性變化的拱頂沉降曲線均比不考慮圍巖結(jié)構(gòu)性變化的拱頂沉降曲線偏低，這正是結(jié)構(gòu)性的貢獻，亦揭示了圍巖結(jié)構(gòu)性對拱頂沉降的影響。表4考察了不同圍巖級別下拱頂最大沉降值的對比情況，不難發(fā)現(xiàn)，隨著圍巖級別的降低，圍巖性質(zhì)變差，考慮結(jié)構(gòu)性變化與不考慮結(jié)構(gòu)性變化的差值增大(圍巖級別為Ⅴb時反常，原因是圍巖參數(shù)較低使得強度衰減的幅度減小，變形衰減減小)，亦說明結(jié)構(gòu)性的作用增強，即圍巖條件越差，級別越低，圍巖結(jié)構(gòu)在受到擾動后的變形就越大。

4.2 隧道圍巖設(shè)計參數(shù)反演分析

通過上述分析可知，考慮結(jié)構(gòu)性參數(shù)和不考慮結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化時對隧道圍巖土體的變形影響較大，而結(jié)構(gòu)性在引入計算過程中難度較大，因此考慮對圍巖參數(shù)進行等效優(yōu)化，即將考慮結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化對圍巖土體的影響后圍巖土體的位移值作為基準，通過參數(shù)反演來尋求一組可以與考慮結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化時的圍巖土體位移值最為接近的圍巖土體強度參數(shù)作為黃土圍巖等級強度推薦參數(shù)，此時的系數(shù)稱為等效系數(shù)。以此來計算圍巖的受力變形規(guī)律(限于篇幅，文章只給出了Ⅳa和Ⅳb圍巖的分析結(jié)果見圖8、圖9)。

圖8說明等效系數(shù)為0.95時的沉降曲線與考慮結(jié)構(gòu)性變化時的曲線擬合度較高，選用此等效系數(shù)下的圍巖設(shè)計參數(shù)為修正后的推薦值。亦即選用等效系數(shù)為0.95時的圍巖設(shè)計參數(shù)，在計算結(jié)果上等同于考慮了黃土圍巖結(jié)構(gòu)的影響，間接地反映了黃土圍巖在隧道開挖過程中的變化甚至破壞，模擬效果更真實、合理。圖9中雖然拱頂沉降在等效系數(shù)為0.9和0.88時的曲線與考慮結(jié)構(gòu)性時的吻合度都較高，但通過地表沉降曲線易將其區(qū)分開，即選用等效系數(shù)為0.90時的圍巖計算參數(shù)為修正后推薦值。另外兩種圍巖級別模擬方法類似，這里不做贅述。

圖7 不同圍巖級別下結(jié)構(gòu)性特性對拱頂縱向沉降的影響曲線

表4 拱頂最大沉降對比表

圖8 圍巖級別為Ⅳa時圍巖土體強度參數(shù)反演

表6中給出了不同圍巖等級下強度參數(shù)修正后的推薦值，該表中的數(shù)據(jù)在理論意義上等同于考慮了黃土隧道圍巖性質(zhì)的影響，使得計算后的結(jié)果能更加合理的與工程實際匹配，亦可從結(jié)構(gòu)性的角度對隧道病害進行深入剖析，均為黃土隧道設(shè)計提供了夯實的理論依據(jù)。

圖9 圍巖級別為Ⅳb時圍巖土體強度參數(shù)反演

表6 不同圍巖等級強度參數(shù)推薦值修正

5 結(jié)論

黃土隧道是黃土地區(qū)極為常見的工程，因其圍巖主要以黃土為主，使得黃土隧道在修建和運營過程中病害頻發(fā)。文章從設(shè)計角度出發(fā)，認為黃土隧道病害的最重要誘因之一是黃土的結(jié)構(gòu)性所致，通過具體計算得出以下有益結(jié)論:

(1)以黃土物理力學(xué)特性為指標，給出了四種圍巖級別下隧道圍巖設(shè)計參數(shù);

(2)進行了黃土隧道數(shù)值模擬計算，得出了考慮圍巖結(jié)構(gòu)影響時的隧道變形大于未考慮圍巖結(jié)構(gòu)影響時的值;

(3)以考慮圍巖結(jié)構(gòu)影響時的變形值為基準進行參數(shù)反演，提出了等效后的圍巖設(shè)計參數(shù)推薦值。

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