李家坪隧道膨脹性圍巖力學特性試驗及塌方原因分析

張 毅， 折學森， 高學伸

(1.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064； 2.河南省收費還貸高速公路管理中心， 河南 鄭州 450000；3.東南大學建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210096)

1 研究背景

膨脹土等復雜的地質(zhì)條件給我國公路、鐵路建設帶來了很大的困難。膨脹土黏粒成份主要由強親水性礦物質(zhì)組成，具有吸水膨脹、失水收縮并往復變形的性質(zhì)。膨脹土具有較高的膨脹潛勢，與它含水量的變化有關。如果含水量為定值，則其體積不會發(fā)生變化。在工程施工中，含水量發(fā)生輕微的變化就足以使建造在黏土上的構造物產(chǎn)生有害的膨脹。

能否有效解決這些工程問題取決于人們對非飽和膨脹土變形和強度特性的認識。前人已在膨脹土變形特性方面開展了大量的試驗研究[1-8]。其中，吳道祥等[1]采用理論分析和現(xiàn)場試驗研究相結合的方法，對膨脹土的特性、脹縮機理及其影響因素進行研究；李皎[2]采用三軸壓縮試驗測定了膨脹土在不同干密度和含水率情況下的三軸強度，結果表明含水率對膨脹土三軸強度的影響非常顯著；謝舒雷等[3]采用室內(nèi)試驗等手段對干濕循環(huán)作用下合肥地區(qū)膨脹土的表觀形態(tài)和工程特性開展了研究，探討了干濕循環(huán)作用形成裂隙與土中水在破壞膨脹土土體過程中的相互關聯(lián)；徐彬等[5]通過直剪試驗和三軸試驗研究了膨脹土含水率變化過程中強度的變化規(guī)律。這些研究為探究弱膨脹土的脹縮機理、水理特性及其影響因素提供了基礎。黃志全等[8]采用濾紙法研究了非飽和膨脹土任意含水率變化下的土水特征。以上研究均只針對膨脹土物理力學性質(zhì)進行了研究，并沒有與實際的隧道工程施工相結合。

由于膨脹土的脹縮性、強度等工程特性，導致在建隧道變形坍塌事故時有發(fā)生。因此，不少學者結合工程實際針對膨脹土力學機理及隧道破壞機理進行了研究。馬曉寧等[9]借助電子顯微鏡和X射線衍射試驗從微觀角度研究了某高速公路沿線膨脹土的礦物成分及微觀結構；王清標等[10]采用有限元數(shù)值分析方法對膨脹性黃土地層中的靜游隧道開挖進行了模擬，揭示了在降雨條件下膨脹性黃土隧道圍巖失穩(wěn)與支護破壞的機理；周奎等[11]針對復雜地質(zhì)條件下遇水軟化圍巖的公路隧道邊坡工程，探討了減小雨水滲流等防護方法；朱經(jīng)志[12]采用三維有限元數(shù)值模擬分析方法模擬了某鐵路隧道洞口削坡、隧道開挖過程，揭示了膨脹土隧道洞口處圍巖變形規(guī)律和失穩(wěn)機理；郭瑞等[13]采用數(shù)值方法模擬了成都地鐵2號線穿越膨脹性地層時管片結構的內(nèi)力與變形；曾仲毅等[14]研究了增加圍巖含水率對隧道支護結構的影響，得到了對隧道支護結構造成不良影響的關鍵含水率和膨脹力值；胡世權[15]結合工程實踐，探索了過膨脹土隧道變形失穩(wěn)段的施工技術，提出了大管棚超前支護，并對傳統(tǒng)的“三臺階七步法”施工工藝進行了改進。但是由于膨脹土的性質(zhì)與其物理成分有著密切的關系，不同類型的膨脹土表現(xiàn)出來的工程性質(zhì)相差很大，而且隧道的塌方不僅取決于圍巖特性，還與隧道施工工藝、工序等密切相關。

由于膨脹土的類型和含水率對其性質(zhì)影響較大，因此在膨脹土地區(qū)進行隧道施工的各種工法不能普遍適用，需類比相似工程作進一步研究。本文以三淅高速公路李家坪隧道膨脹土軟弱圍巖為研究對象，通過三軸強度試驗和膨脹特性實驗等室內(nèi)試驗研究了膨脹土隧道軟弱圍巖性質(zhì)，對隧道出現(xiàn)災害的原因進行了分析。由于取得現(xiàn)場的原狀土比較困難，因此，需要依靠室內(nèi)制備重塑土來獲得隧道圍巖土體的物理、力學特性試驗參數(shù)，但重塑土是否具有代表性，是否能代表隧道圍巖的實際情況，首先這些重塑土的樣本均來自現(xiàn)場的開挖出來的膨脹土。其次，本文在進行重塑土試驗時，在參數(shù)選取上保證重塑土樣本的含水率和密度與原狀土天然含水率和密度一致，當然在進行含水率試驗時這些參數(shù)會根據(jù)試驗需要進行調(diào)整。

2 工程概況

三淅高速公路李家坪隧道位于河南省西峽縣西坪鎮(zhèn)低山區(qū)，隧道總體走向呈南北向曲線展布。隧道最大埋深約92 m，隧道進口段圍巖為Ⅴ級，表層為強風化石英閃長巖，結構松散，埋深較淺，下部為中風化石英閃長巖，巖體完整性差。隧道洞身圍巖為Ⅳ級和Ⅲ級，巖性為中-微風化石英閃長巖，巖體較完整，工程地質(zhì)條件較好。隧道出口段圍巖為Ⅴ級。部分地段為坡積黏土，通過對其進行鉆孔勘測，并進行蒙脫石含量測定和膨脹土自由膨脹率測定等試驗，發(fā)現(xiàn)其自由膨脹率為50%～53%，屬于弱膨脹土。試驗結果如表1所示。

表1 膨脹土膨脹性試驗結果 %

李家坪隧道處于當?shù)厍治g基準面以上的低山區(qū)，附近無地表水體并遠離地表水體，隧道處于地下水位以上，洞體圍巖主要為元古界石英閃長巖。上部灰黃色，中下部灰白色，塊狀構造。強-中風化巖體，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體松散破碎；中-微風化巖體，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石狀壓碎結構-塊石狀鑲嵌結構。

隧道采用三臺階預留核心土法施工。施工期間正值雨季，豐富的降雨滲入坡體形成淺層松散層孔隙裂隙水。表層膨脹土因其漲縮特性，造成土體開裂，形成的裂縫成為降水及地表水入滲通道，加速了水滲入土體，造成土體抗剪強度降低。隧道進洞口48 m處掌子面在鋼拱架安裝準備時出現(xiàn)塌方，造成后方11 m已初支段全部破壞，塌方后方13 m處拱頂出現(xiàn)環(huán)向較大裂縫。洞內(nèi)坍塌后掌子面上方地表出現(xiàn)直徑約12m、深4～5 m陷坑。洞內(nèi)塌方土體約760 m3，如圖1所示。

圖1 隧道出口附近冒頂災害

3 膨脹土三軸強度試驗

3.1 含水率對膨脹土三軸強度的影響

為研究含水率對膨脹土三軸強度的影響，取5個膨脹土樣本進行試驗。試驗采用重塑膨脹土土樣，圖2為5組膨脹土試樣的擊實曲線。

圖2 干密度隨含水率的變化曲線

從圖2可以看出，5組膨脹土試樣的平均最大干密度約為1.81 g/cm3，平均最優(yōu)含水率約為15.3%。

為了研究膨脹土的含水量對三軸強度的影響，在開始試驗之前，將膨脹土曬干碾壓過2 mm細篩子，配置6組含水率分別為12%～22%的膨脹土標準試樣，在控制相同的圍壓條件下進行三軸強度試驗。不同含水率的膨脹土三軸強度曲線如圖3所示，試驗中土體最大干密度為1.81 g/cm3。

通過圖3可知，在含水率小于16%時，隨著膨脹土含水率的增加，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都逐漸增大，當含水率從12%增加到16%時，黏聚力增加了約88%，內(nèi)摩角擦增加了33%，顯然，黏聚力增大的幅度較高，內(nèi)摩擦角增加的幅度相對較小。在含水率大于16%時，膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都顯著降低，含水率從16%增加到22%時，黏聚力降低了83%，內(nèi)摩擦角降低了67.5%。可以看出，相對于內(nèi)摩擦角而言，膨脹土黏聚力受含水率的影響更加顯著。

圖3 不同含水率條件下的膨脹土三軸強度

影響膨脹土黏聚力的因素包括水膜連接、顆粒之間的引力作用和化學鍵的連接作用、膠結作用。其中，最主要的影響因素是膨脹土中的水膜連接。從微觀角度來講，膨脹土顆粒被水膜包裹，隨著含水率的增加，水膜厚度也會相應地增加，較厚的水膜會大大削弱土顆粒間的連接強度，在宏觀上表現(xiàn)為膨脹土黏聚力的大幅降低。而顆粒間的咬合力(或摩擦力)的大小是影響膨脹土內(nèi)摩擦角大小的主要因素，雖然含水率的增加會在一定程度上降低顆粒之間的咬合和摩擦力，但總體上其影響不顯著。

3.2 干密度對膨脹土三軸強度的影響

為研究干密度對膨脹土三軸強度的影響，取5個膨脹土樣本進行試驗。配置5組干密度為1.46～1.81 g/cm3的膨脹土標準試樣，在控制相同的圍壓條件下進行三軸強度試驗。不同干密度的膨脹土三軸強度曲線如圖4所示。

圖4 不同干密度條件下的膨脹土三軸強度

通過圖4可知，膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干密度變化基本呈線性關系，當膨脹土的干密度從1.46 g/cm3增加到1.81 g/cm3，黏聚力增加了約2倍，內(nèi)摩擦角增加了24.5%，可以看出，膨脹土的干密度對黏結強度的影響大于內(nèi)摩擦角。當干密度大于1.65 g/cm3后，內(nèi)摩擦角還有一定的增加，但不明顯。這是因為干密度的增加會縮小膨脹土顆粒間的距離，因此顆粒間的相互作用得到增強。此外，顆粒間的咬合(或摩擦)作用會大幅增加，這是最關鍵的因素。因此，隨著膨脹土干密度的增大，其內(nèi)摩擦角在前期增長速度較快；當膨脹土干密度接近最大干密度時，顆粒間的咬合強度隨干密度的增加速度明顯降低。因此，當膨脹土干密度接近最大干密度時，該參數(shù)不會對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生較大的影響。

4 膨脹土的膨脹特性試驗

4.1 膨脹率測試

膨脹率是試樣在有側限條件下浸水膨脹增量與初始試驗高度的比值，本試驗中沒有施加垂直荷載，屬于無荷膨脹率試驗。因為無荷膨脹率可以反映膨脹土試樣的吸水膨脹能力，因此該指標可以比較可靠地衡量土體膨脹的趨勢。

配置含水率分別為12%、18%、22%、26%、30%的5組膨脹土試樣進行浸水膨脹試驗，記時觀察土體膨脹全過程，記錄數(shù)據(jù)，并繪制膨脹率與時間的關系曲線如圖5所示。

圖5 膨脹率隨時間變化曲線

從圖5可以看出，含水量越大，試樣達到膨脹平衡(試樣膨脹率保持穩(wěn)定、不再繼續(xù)膨脹)所需要的時間越長，其最終的膨脹率也越小。盡管試驗的膨脹土的初始含水率不同，但是在膨脹過程大致都可以分為快速膨脹、減速膨脹和緩慢膨脹3個階段?？焖倥蛎浭且驗橥馏w中有較多的孔隙，在土體遇到水之后立刻吸水膨脹，此階段土體的膨脹顯著；待土體中水分達到一定程度，土體中的空隙變小，土體的膨脹開始變得緩慢；最后，其膨脹趨勢趨近于定值，土體內(nèi)的大部分空隙均被水充滿，吸水膨脹作用幾乎停止。

4.2 膨脹力測試

膨脹土的膨脹力是土體在吸水過程中產(chǎn)生的最大膨脹應力。在本次膨脹力測試過程中保證土樣的體積不變，測量土體因吸水膨脹作用在豎向產(chǎn)生的最大膨脹應力。配置5組含水率分別為12%、18%、22%、26%、30%的膨脹土試樣進行浸水膨脹試驗，記時觀察土體膨脹全過程并記錄數(shù)據(jù)，繪制膨脹力與時間的關系曲線如圖6所示。

圖6 膨脹力隨時間變化曲線

從圖6可看出，膨脹力隨時間的變化曲線與膨脹率隨時間的變化曲線相似，兩者均經(jīng)歷“快速膨脹-減速膨脹-緩慢膨脹”的3個階段。土樣的初始含水率越大，試樣達到膨脹平衡所需要的時間越長，其膨脹力也越小。含水率為12%的膨脹土試樣最終膨脹力是初始含水率為30%試樣的25倍。可見，不同初始含水率條件下，土樣吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹力差異十分明顯，較小初始含水率的膨脹土吸水膨脹時將產(chǎn)生非常大的膨脹率和膨脹力，膨脹土“干縮濕脹”效應顯著，因此工程上經(jīng)常遇到邊坡的失穩(wěn)、不均勻沉降等變形災害現(xiàn)象，應考慮采取防滲措施。

5 李家坪隧道破壞原因分析

根據(jù)傳統(tǒng)的收斂-約束法的理念，對于圓形隧道假設圍巖為各向同性、均一的巖土介質(zhì)，在經(jīng)簡化的荷載模式下(即在邊界上施加均布荷載)按彈塑性本構模型可以得到與圍巖形變壓力對應的洞壁收斂位移關系的解析解。對于深埋圓形隧道，假定圍巖的側壓力系數(shù)為1，并滿足均勻、連續(xù)、各向同性，假設巖體為彈性材料。其力學模型如圖7所示。

對于彈性區(qū)，平衡方程為：

(1)

邊界條件：

σr|r=a=pi, σr|r=b=p0

(2)

假設圍巖含水率變化函數(shù)W(r)分布情況為：

(3)

式中： σr和σθ分別為圍巖的徑向和切向應力,MPa；r為圍巖中任意一點到隧道中心的距離,m；pi為支護壓力,MPa；p0為原巖應力,MPa；R0為隧道開挖半徑,m；Wmax為最大含水率變化值，假設隧道洞室周邊處含水率變化最大，越往遠處含水率變化越小。

圖7 隧道力學模型

考慮膨脹變形的物理方程：

甲狀腺疾病的臨床診斷和鑒別應綜合考慮各指標，當甲狀腺內(nèi)多發(fā)結節(jié)時，不應單純考慮良性或惡性，還應將良惡性并存考慮在內(nèi)，當超聲檢查懷疑甲狀腺腫瘤為惡性時，應定期隨訪，并密切觀察腫瘤大小、形態(tài)、聲像圖特征的變化，便于臨床上采取正確的治療方法。

(4)

(5)

式中：E為圍巖的彈性模量;ν為泊松比；α為膨脹土的膨脹系數(shù)。

聯(lián)立彈性力學中的幾何方程，可以解得彈性區(qū)圍巖應力和位移：

(6)

(7)

(8)

假設圍巖本構為理想彈塑性模型，滿足莫爾-庫侖屈服準則。

莫爾-庫侖屈服準則：

(9)

聯(lián)立式(1)和式(6)，并根據(jù)邊界條件：σr|r=R0=pi，可得：

(10)

于是，塑性區(qū)應力為：

(11)

(12)

根據(jù)彈塑性界面的位移連續(xù)性條件，可得到洞壁處徑向位移與塑性形變壓力的關系為：

(13)

式中：Rp為彈塑性區(qū)界面的半徑，m。

膨脹土具有吸水膨脹的特性，含水率的變化會使圍巖壓力發(fā)生很大變化。圖8給出了不同含水率變化值條件下的圍巖壓力隨洞徑的變化曲線，計算參數(shù)如表2所示。

圖8 不同含水率變化情況下的膨脹性圍巖壓力隨洞徑變化曲線

表2 膨脹土物理力學計算參數(shù)

由圖8可知，膨脹巖對含水率變化非常敏感，尤其是圍巖變形較小時，膨脹壓力可以達到塑性形變壓力的數(shù)倍。由此可見，由于李家坪隧道施工適逢雨季，地表水沿既有裂縫下滲，圍巖含水量增大，吸水膨脹后產(chǎn)生巨大的膨脹應力，導致隧道自穩(wěn)能力下降，出現(xiàn)拱部失穩(wěn)、邊仰坡開裂情況。

在支護方面，由于支護參數(shù)相對較薄弱，土體含水量增大后加大對初期支護鋼拱架的壓力，隧道開挖經(jīng)過超前管棚段后采用超前小導管注漿施工，根據(jù)坍塌冒頂現(xiàn)場顯示，在兩側拱腰連接板薄弱位置被剪切壓垮，拱架扭曲變形嚴重。塌方段掌子面失穩(wěn)后引起后方已支護段落11m范圍內(nèi)塌方冒頂，塌方冒頂段掌子面距離超前管棚支護末端12m，超前管棚段除了對隧道支護結構進行加固外，對于災害的產(chǎn)生有一定限制作用，可見其在隧道淺埋段剛性支撐的重要性。

此外，對于淺埋段土質(zhì)隧道，大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)即使是在埋深40m的情況下，地表也會產(chǎn)生沉降或裂縫，說明土質(zhì)隧道在開挖過程中容易產(chǎn)生整體沉降，因此選擇合適的開挖方法是控制淺埋段膨脹土隧道施工的關鍵，隧道塌方冒頂段采用環(huán)形開挖預留核心土法施工，該方法對軟弱圍巖掌子面的變形能起到有效控制作用，但對于控制淺埋段隧道整體沉降效果一般。

李家坪隧道洞口段采用三臺階預留核心土法施工。圖9為現(xiàn)場施工步距布置圖。

圖9 現(xiàn)場施工步距布置圖(單位：m)

由圖9可知，距離洞口48m處掌子面施工過程中隧道發(fā)生了塌方事故，導致后方11m范圍內(nèi)已初支段全部破壞，土體位移迅速增大。李家坪隧道的破壞很大程度上與膨脹土的性質(zhì)有關。

6 結 論

(1)含水率對膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較大，尤其是對黏聚力有非常顯著的影響，含水率增加導致水膜之間的連接強度減弱，膨脹土的黏聚力急劇下降。

(2)干密度對膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角也有較大的影響。干密度增大則土體黏聚力和內(nèi)摩擦角也顯著增加。但在膨脹土的干密度較大時，干密度對內(nèi)摩擦角的影響不明顯。

(3)膨脹特性試驗表明，膨脹土在吸水過程中經(jīng)歷快速膨脹、減速膨脹、緩慢膨脹3個階段。膨脹土“干縮濕脹”效應顯著，較小初始含水率的膨脹土吸水膨脹時將產(chǎn)生非常大的膨脹率和膨脹力，因此，工程上經(jīng)常遇到地表開裂、不均勻沉降等變形災害現(xiàn)象，應考慮采取防滲措施。

(4) 李家坪隧道出口段坡積黏土屬于弱膨脹土。雨季施工造成圍巖含水量增大，吸水膨脹后釋放應力，隧道自穩(wěn)能力下降，加上支護體系相對薄弱，是造成隧道塌方的主要原因。

[1] 吳道祥, 熊福才, 郭靜芳,等.不同含水率膨脹土的無側限抗壓強度-電阻率試驗研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2016，39(12):1688-1692.

[2] 李 皎.干密度和含水率對膨脹土三軸強度特性的影響[J].中國水運，2017，17(1)：224-225.

[3] 謝舒雷，朱大勇，侯超群，等.干濕循環(huán)作用對合肥膨脹土的影響[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2017，40(3)：368-372.

[4] 何建新，劉 亮，熱依拉，等.膨脹巖抗剪強度特性研究[J].水資源與水工程學報，2013，24(6)：92-94.

[5] 徐 彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強度影響因素與規(guī)律的試驗研究[J].巖土力學，2011，32(1)：44-50.

[6] 李晶晶，孔令偉，穆 坤.膨脹土原位孔內(nèi)剪切試驗與強度響應特征[J].巖土力學，2017，38(2)：453-461.

[7] 武 科，吳昊天，張 文，等.不同荷載作用下膨脹土的膨脹率與膨脹潛勢試驗[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2016，37(6)：713-718.

[8] 黃志全，岳康興，李 幻，等.濾紙法測定非飽和膨脹土土水特征曲線試驗[J].南水北調(diào)與水利科技，2015，13(3):482-486.

[9] 馬曉寧，王選倉，孫進玲，等.隴南地區(qū)膨脹土微觀結構與膨脹性[J].南水北調(diào)與水利科技，2016，14(3):111-114+149.

[10] 王清標，張 聰，溫小康，等.膨脹土脹縮機理及其在控制隧道沉降中的應用[J].地下空間與工程學報，2014，10(6)：1426-1432.

[11] 周 奎，曾雅穎，祝 文.復雜地質(zhì)條件下遇水軟化圍巖的公路隧道邊坡治理[J].水資源與水工程學報，2012，23(6)：104-106+110.[12] 朱經(jīng)志.膨脹土地區(qū)隧道洞口邊仰坡垮塌機理與防治措施研究[J].水利與建筑工程學報，2016，14(3)：226-231.[13] 郭 瑞，何 川，方 勇.膨脹土地層中盾構隧道管片結構受力分析與對策研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2010，47(6)：17-22.[14] 曾仲毅，徐幫樹，胡世權，等.增濕條件下膨脹土隧道襯砌破壞數(shù)值分析[J].巖土力學，2014，35(3)：871-880.[15] 胡世權.過膨脹土隧道塌方段施工技術研究與應用[J].山東建筑大學學報，2013，28(1)：73-77+81.