石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)及隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征研究

付 鈞 福,李 化 云,朱 開(kāi) 宬,陳 曄 磊,雷 中 成

(1.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610039; 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031;3.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 深圳 518029)

0 引 言

隨著隧道工程建設(shè)日益增加,不可避免地遭遇膨脹巖地層。膨脹巖是一種吸水體積增大的特殊巖石[1-3]。根據(jù)膨脹機(jī)理不同,膨脹巖可分為兩類(lèi)[4]:第一類(lèi)膨脹是由于化學(xué)反應(yīng)引起;第二類(lèi)膨脹是由巖石內(nèi)所含親水礦物引起。石膏質(zhì)巖屬于第一類(lèi)膨脹巖,它的膨脹主要由于巖石中含有的硬石膏(CaSO4)、熟石膏(CaSO4·H2O)和半水石膏(CaSO4·0.5H2O)遇水轉(zhuǎn)換為石膏(CaSO4·2H2O)使晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)張,導(dǎo)致巖樣體積增大[5],而體積膨脹產(chǎn)生的膨壓效應(yīng)將對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害,這一問(wèn)題引起了諸多學(xué)者的關(guān)注和研究。

吳建勛等[6]在室內(nèi)進(jìn)行膨脹特性研究,發(fā)現(xiàn)石膏質(zhì)巖在第119天的膨脹應(yīng)變和膨脹應(yīng)力為第7天的3倍左右。羅健[7]于百家?guī)X隧道進(jìn)行為期1 a的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),石膏質(zhì)巖的膨脹應(yīng)力最高達(dá)到384 kPa。許崇幫等[8]通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),泥灰?guī)r的膨脹力僅為20 kPa左右,而硬石膏巖長(zhǎng)時(shí)間的膨脹力能達(dá)到1 800 kPa左右。因此,通過(guò)短期室內(nèi)試驗(yàn)得到的膨脹指標(biāo)來(lái)判定石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì)并不準(zhǔn)確,而膨脹潛勢(shì)的誤判將導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低,進(jìn)而威脅隧道后期的安全運(yùn)營(yíng)。國(guó)內(nèi)杜公嶺隧道[9]、禮讓隧道[10]等受石膏質(zhì)巖膨壓效應(yīng)影響,在運(yùn)營(yíng)期發(fā)生襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象,經(jīng)維修后再次運(yùn)營(yíng)時(shí),襯砌依舊開(kāi)裂。國(guó)外奇霍伊電力隧道[11]、瑞士Chienberg隧道[12]等經(jīng)維修加固后也再次發(fā)生隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象。崔蓬勃等[13]通過(guò) ANSYS 軟件對(duì)不同膨脹范圍下初期支護(hù)的變形量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)膨脹范圍與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量呈正相關(guān)。龔軍等[14]通過(guò)數(shù)值模擬分析得出增加錨桿長(zhǎng)度、及時(shí)施加仰拱和提高支護(hù)剛度有利于降低極高地應(yīng)力膨脹圍巖的變形。

綜上所述,關(guān)于膨脹巖的判定標(biāo)準(zhǔn)絕大多數(shù)依據(jù)第二類(lèi)膨脹巖而定,且均為短期室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[15]。若根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)判定石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì),將導(dǎo)致其膨脹等級(jí)遠(yuǎn)低于實(shí)際,進(jìn)而影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),為隧道后期運(yùn)營(yíng)埋下巨大隱患?？焖贉?zhǔn)確地判斷石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì),分析膨壓效應(yīng)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響,對(duì)隧道后期的安全運(yùn)營(yíng)尤為重要。

因此,本文以五指山隧道的石膏質(zhì)巖為樣本,采用膨脹率、膨脹力試驗(yàn)結(jié)合BET比表面積測(cè)試方法,提出一種能快速且準(zhǔn)確判定石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn),并用該標(biāo)準(zhǔn)確定五指山隧道石膏質(zhì)圍巖的膨脹潛勢(shì);結(jié)合數(shù)值模擬方法,分析不同膨脹潛勢(shì)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征的影響規(guī)律,為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

五指山特長(zhǎng)隧道為四川省仁壽至屏山新市公路中K137+750至K145+160(ZK145+150)標(biāo)段的控制性工程。隧道左線全長(zhǎng)9 392 m,右線全長(zhǎng)9 405 m,為雙向四車(chē)道高速公路隧道。隧址區(qū)圍巖含有石膏質(zhì)巖,具有腐蝕性和溶蝕性,部分膠結(jié),巖質(zhì)軟,遇水存在體積膨脹現(xiàn)象;該段地下水豐富且開(kāi)挖過(guò)程已發(fā)生大型坍塌。

石膏質(zhì)巖地層段,隧道支護(hù)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),其中初期支護(hù)厚度20 cm,混凝土強(qiáng)度為C20;二次襯砌厚度40 cm,混凝土強(qiáng)度為C35,隧道開(kāi)挖方法為兩臺(tái)階留核心土法。隧道斷面尺寸如圖1所示。

圖1 隧道斷面尺寸(尺寸單位:cm)Fig.1 Tunnel section size

2 礦物組分分析

石膏質(zhì)巖中硬石膏與石膏的含量將影響其膨脹特性,因此首先需探明石膏質(zhì)巖的礦物組分。通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)和X射線熒光光譜(XRF)對(duì)石膏質(zhì)巖進(jìn)行礦物組分分析,其XPS圖譜如圖2所示,XRF礦物分析結(jié)果如表1所列。

表1 石膏質(zhì)巖氧化物含量百分比Tab.1 Percentage of oxide content of gypsum rock %

圖2 石膏質(zhì)巖XPS圖譜Fig.2 XPS spectra of gypsum rock

由圖2可得,O元素的原子百分比最高,為61.61%,Ca元素的原子百分比最低,為12.20%,S元素與Ca元素含量接近1∶1,說(shuō)明巖樣絕大部分由 CaSO4·2H2O 和CaSO4組成,同時(shí)O元素與Ca元素之比大于4∶1,且小于6∶1,表明CaSO4的含量多于CaSO4·2H2O。

石膏(CaSO4·2H2O)、硬石膏(CaSO4)與水結(jié)合的狀態(tài)不一,各自的晶胞大小和形態(tài)有差距,導(dǎo)致CaO與SO3的含量百分比不同。如表1所列,五指山隧道石膏質(zhì)巖樣中CaO的含量百分比為39.70%,SO3的含量百分比為56.44%。CaO、SO3的含量百分比在石膏與硬石膏的理論含量百分比[16]之間,但接近于硬石膏的理論含量百分比,進(jìn)一步驗(yàn)證了XPS分析得到的結(jié)論。故該巖樣并非單一的石膏巖或硬石膏巖,而是兩者混合組成的石膏質(zhì)巖,且硬石膏(CaSO4)含量高于石膏(CaSO4·2H2O)。

3 石膏質(zhì)巖膨脹特性指標(biāo)研究

本文通過(guò)自由膨脹率試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)以及膨脹力試驗(yàn)對(duì)五指山隧道石膏質(zhì)圍巖的膨脹特性進(jìn)行分析,為后續(xù)膨脹潛勢(shì)判定以及數(shù)值模擬提供依據(jù)。

3.1 試樣制備

石膏質(zhì)巖的膨脹由化學(xué)反應(yīng)引起,該種膨脹機(jī)理復(fù)雜且膨脹過(guò)程極其漫長(zhǎng)。為獲得巖樣的極限膨脹特性,根據(jù)已有文獻(xiàn)[16-20],使用重塑樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取石膏質(zhì)巖用粉碎機(jī)磨至粉末后,過(guò) 0.5 mm 篩,將試樣分為5組,每組2 kg,分別編號(hào)為A、B、C、D、E,均密封保存。隨后對(duì)5組試樣做如下預(yù)處理。

編號(hào)A:置于蒸餾水中充分吸水。隨后放置室內(nèi)風(fēng)干。最后再放入烘箱中以75℃干燥48 h。

編號(hào)B:加入400 g蒸餾水。再放入烘箱中以75℃干燥48 h。

編號(hào)C:加入200 g蒸餾水。再放入烘箱中以75℃干燥48 h。

編號(hào)D:不做任何處理。

編號(hào)E:將試樣放入烘箱中以220℃干燥48 h。

3.2 膨脹特性指標(biāo)試驗(yàn)

自由膨脹率試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)與膨脹力試驗(yàn)根據(jù)規(guī)范[17]開(kāi)展,對(duì)試樣進(jìn)行為期1個(gè)月的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 膨脹特性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of expansion characteristic index

由表2可知,A組試樣的自由膨脹率最低,平均值為1.51%;E組試樣的自由膨脹率最高,平均值為10.55%。A組試樣在第7天和第30天的膨脹率最小,平均值分別為1.83%和3.05%;E組試樣在第7和第30天的膨脹率最大,平均值分別為27.95%和42.13%,與A組相比,兩者相差約14倍。石膏質(zhì)巖的膨脹力最高達(dá)到387.57 kPa,最低僅有15.81 kPa;A組與E組的平均膨脹力相差約23倍。自由膨脹率、膨脹率和膨脹力均與石膏質(zhì)巖的水化程度呈負(fù)相關(guān)。

在膨脹率試驗(yàn)過(guò)程中,其膨脹率的變化呈先增加后降低的趨勢(shì)且出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。根據(jù)對(duì)10組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),拐點(diǎn)基本在第5～7天范圍內(nèi)出現(xiàn)。因此,以最不利情況考慮,認(rèn)為第7天為拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻,記錄其膨脹率。通過(guò)對(duì)試樣第7天與第30天的膨脹率進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的線性關(guān)系,其擬合曲線如圖3所示;線性關(guān)系如式(1)所示。

圖3 7 d與30 d的膨脹率擬合Fig.3 Fitting plot of expansion rate on 7 day and 30 day

δ30t=1.45δ7t+0.41

(1)

式中:δ30t為第30天時(shí)的膨脹率,%;δ7t為第7天時(shí)的膨脹率,%;R2=0.964。

4 石膏質(zhì)巖BET比表面積分析

對(duì)不同水化程度的石膏質(zhì)巖進(jìn)行BET比表面積試驗(yàn),研究水化程度與BET比表面積之間的關(guān)系,為后續(xù)膨脹潛勢(shì)判定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.1 BET比表面積測(cè)試方法

本文基于室內(nèi)氮吸附試驗(yàn)[20]中的多分子層吸附理論(BET)對(duì)石膏質(zhì)巖比表面積展開(kāi)研究,其BET方程[22]如式(2)所示,試驗(yàn)儀器如圖4所示。

圖4 BET比表面積試驗(yàn)儀器Fig.4 Test instrument to detect BET specific surface area

(2)

式中:V為氮的實(shí)際吸附量;P0為飽和蒸氣壓;P為氮?dú)夥謮?Vm為氮的單層飽和吸附量;C為取決于材料特性的一個(gè)常數(shù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5組試樣分別測(cè)試兩次BET比表面積,得到各自的P/P0與P/V(P0-P)數(shù)據(jù),通過(guò)該數(shù)據(jù)可繪制出BET比表面積曲線,如圖5所示。

圖5 石膏質(zhì)巖BET比表面積曲線Fig.5 BET specific surface area curve of gypsum rock

由圖5可知:A-2號(hào)試樣的P/V(P0-P)值最大,為1.01;D-2號(hào)試樣的P/V(P0-P)值最小,為 0.30。A、B、C、D、E組中各點(diǎn)的P/P0值皆在0.05～0.35范圍內(nèi),且與P/V(P0-P)值有良好的線性關(guān)系,結(jié)合規(guī)范[21],可得到石膏質(zhì)巖的比表面積如表3所列。

表3 BET比表面積試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of BET specific surface area

由表3可知:A-2號(hào)試樣BET比表面積最小,為1.68 m2/g;E-1號(hào)試樣比表面積最大,為8.21 m2/g。從A組到E組的BET比表面積變化可發(fā)現(xiàn),石膏質(zhì)巖樣的BET比表面積與其水化程度呈負(fù)相關(guān)。這是由于石膏質(zhì)巖中的硬石膏(CaSO4)吸水轉(zhuǎn)化為石膏(CaSO4·H2O)的過(guò)程中,微觀上表現(xiàn)為晶胞增多,宏觀上表現(xiàn)為巖粉顆粒體積的增大,從而導(dǎo)致BET比表面積降低。試驗(yàn)結(jié)果表明:石膏質(zhì)巖中硬石膏的含量影響著巖樣BET比表面積的大小,表明石膏質(zhì)巖的比表面積與自身的膨脹特性相關(guān)聯(lián)。因此,石膏質(zhì)巖樣的膨脹潛勢(shì)也可由BET比表面積反映。

5 石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)分析

5.1 國(guó)內(nèi)外膨脹巖分級(jí)

膨脹潛勢(shì)是指膨脹巖土在吸水后產(chǎn)生膨脹能力的大小。膨脹潛勢(shì)的判定在工程設(shè)計(jì)中必不可少,膨脹等級(jí)誤判會(huì)影響工程結(jié)構(gòu)的安全性。因此,針對(duì)不同類(lèi)型的膨脹巖土其膨脹潛勢(shì)判斷需要“對(duì)癥下藥”,使用不同的判定方法和指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于膨脹巖的膨脹潛勢(shì)主要分級(jí)指標(biāo)[22-24]如表4所列。

5.2 膨脹潛勢(shì)指標(biāo)選取

若根據(jù)表4中的分級(jí)指標(biāo)判定,五指山隧道的石膏質(zhì)巖為非膨脹巖,與實(shí)際不符。出現(xiàn)該情況是由于在試驗(yàn)中,量筒內(nèi)上部硬石膏水化為石膏產(chǎn)生硬化,導(dǎo)致下部硬石膏與水反應(yīng)減弱,進(jìn)而導(dǎo)致石膏質(zhì)巖的自由膨脹率偏小?？梢?jiàn),雖然自由膨脹率作為膨脹巖土最為廣泛的判定指標(biāo)之一,但它并不適用于石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì)的判定。

在膨脹率試驗(yàn)中,膨脹率最高達(dá)43.65%。試樣未出現(xiàn)表面硬化結(jié)塊阻礙內(nèi)部試樣吸水的現(xiàn)象。但表4中的膨脹率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要是基于第二類(lèi)膨脹巖的膨脹機(jī)理劃分。因此,若將膨脹率作為石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)的判定指標(biāo),需要對(duì)其修正。

膨脹力不僅是判斷膨脹巖土膨脹潛勢(shì)最重要的指標(biāo),同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)。無(wú)論膨脹巖是因何引起的膨脹,礦物成分和膨脹機(jī)理只會(huì)影響膨脹的速率以及膨壓效應(yīng)的大小,而自身膨脹力對(duì)應(yīng)的膨脹潛勢(shì)等級(jí)保持不變。因此,表4中膨脹力指標(biāo)的范圍可直接用于石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì)判定。

在石膏質(zhì)巖比表面積測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)比表面積與石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì)相關(guān)聯(lián),但第一類(lèi)膨脹巖和第二類(lèi)膨脹巖的比表面積的意義不相同。對(duì)于第一類(lèi)膨脹巖中的石膏質(zhì)巖而言,比表面積變化是由于硬石膏水化為石膏,晶胞數(shù)量由4個(gè)增加至8個(gè),導(dǎo)致膨脹前巖樣的比表面積大于膨脹后。就第二類(lèi)膨脹巖來(lái)講,比表面積變化受親水礦物含量影響。目前根據(jù)比表面積的膨脹潛勢(shì)判定皆是基于第二類(lèi)膨脹巖來(lái)確定的范圍。因此,在將BET比表面積作為石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)的評(píng)判指標(biāo)時(shí),需要對(duì)其等級(jí)范圍重新劃分。

綜上所述,本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)選取膨脹率、膨脹力和BET比表面積對(duì)石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì)進(jìn)行劃分,其中膨脹率與BET比表面積需要修正原有標(biāo)準(zhǔn)的判定范圍,膨脹力無(wú)需修正。

5.3 膨脹率與膨脹力關(guān)系

通過(guò)石膏質(zhì)巖膨脹特性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)可繪制出兩者的關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖6 膨脹率與膨脹力關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between expansion rate and expansion force

由圖6可知,石膏質(zhì)巖的膨脹率與膨脹力呈正相關(guān),其擬合關(guān)系式如下:

Ps=9.05δ30t-19.83,R2=0.961

(3)

式中:Ps為膨脹力,kPa;δ30t為30 d時(shí)的膨脹率,%。

5.4 比表面積與膨脹力關(guān)系

將石膏質(zhì)巖BET比表面積試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)與膨脹力試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)共同進(jìn)行分析,得到兩者的關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 BET比表面積與膨脹力關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between BET specific surface area and expansion force

由圖7可知,膨脹力隨著B(niǎo)ET比表面積的增大而同步增加,兩者之間有良好的線性關(guān)系,可得到關(guān)系式:

Ps=61.48As-112.54,R2=0.963

(4)

式中:As為BET比表面積,m2/g。

5.5 膨脹潛勢(shì)等級(jí)劃分

根據(jù)表4中膨脹力劃分膨脹潛勢(shì)的分級(jí)范圍,膨脹巖等級(jí)為非、弱、中、強(qiáng),其膨脹力范圍分別為≤100 kPa、100～300 kPa、300～500 kPa、≥500 kPa;由式(3)計(jì)算可得,膨脹率范圍分別為≤13.3%、13.3%～35.3%、35.3%～57.4%、≥57.4%;由式(4)計(jì)算可得,BET比表面積范圍分別為≤3.5 m2/g、3.5～6.7 m2/g、6.7～10.0 m2/g、≥10.0 m2/g。依據(jù)以上范圍可得到石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),如表5所列。

表5 石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)分級(jí)Tab.5 Classification of expansion potential of gypsum rock

五指山隧道的石膏質(zhì)巖膨脹率、膨脹力、BET比表面積分別為34.08 %、304.51 kPa、6.31 m2/g,根據(jù)表5所列評(píng)判指標(biāo)將其判定為中膨脹巖。在室內(nèi),經(jīng)2～3 h測(cè)試出試樣的BET比表面積;同時(shí),對(duì)試樣進(jìn)行7 d的膨脹率試驗(yàn),再使用式(1)換算出30 d的膨脹率,結(jié)合表5即可快速準(zhǔn)確地分析得出石膏質(zhì)巖的膨脹潛勢(shì)。相比傳統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的膨脹潛勢(shì)判定方式,該判定標(biāo)準(zhǔn)極大地節(jié)約了時(shí)間,保證了隧道工程快速安全地建設(shè)。

6 膨脹特性對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

基于建立的膨脹巖判定標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合ABAQUS軟件數(shù)值模擬,從應(yīng)力和位移兩方面分析圍巖從非膨脹到強(qiáng)膨脹對(duì)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

6.1 數(shù)值模型及力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型整體尺寸為80 m×60 m×50 m,模型采用C3D8T六面體單元,Z方向?yàn)殚_(kāi)挖方向,約束模型左右兩側(cè)的水平位移、前后兩側(cè)的水平位移以及底部的豎向位移。地應(yīng)力平衡采用導(dǎo)入.odb文件的方式。數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 數(shù)值計(jì)算模型Fig.8 Numerical calculation model

通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn),得到巖塊的力學(xué)參數(shù),再根據(jù)文獻(xiàn)[25]中方法轉(zhuǎn)換為巖體的力學(xué)參數(shù)。石膏質(zhì)圍巖內(nèi)摩擦角取36°,黏聚力取2.65 kPa,泊松比取0.21,彈性模量取2.21 GPa。隧道初期支護(hù)的密度取2 347 kg/m3,彈性模量取26 GPa,泊松比取0.20。二次襯砌的密度取2 551 kg/m3,彈性模量取30 GPa,泊松比取0.20。

6.2 膨脹模擬

石膏質(zhì)巖的膨脹從宏觀方面而言,為含水率變化導(dǎo)致圍巖體積增大,通過(guò)控制含水率能夠體現(xiàn)石膏質(zhì)巖的膨脹變化。ABAQUS軟件內(nèi)置溫度場(chǎng)程序,通過(guò)控制溫度的大小經(jīng)熱傳導(dǎo)來(lái)改變熱應(yīng)力大小,進(jìn)而分析構(gòu)件的應(yīng)力變化,這與石膏質(zhì)圍巖的膨脹機(jī)理有異曲同工之處。因此,本文使用ABAQUS內(nèi)置溫度場(chǎng)模擬石膏質(zhì)圍巖的膨脹。

膨脹力與溫度的關(guān)系,以及含水率與溫度的關(guān)系[26],如式(5)、(6)所示:

ΔPs=3aKΔT

(5)

(6)

式中:ΔPs為膨脹力變化量;a為溫度膨脹系數(shù);w為達(dá)到極限膨脹力時(shí)的含水率;Cw取0.084 6 m-1;w0為初始含水率,%;e為孔隙比。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得Gs=2.63,w0=1.2%,e=0.57,K=12.7×105kPa。

隨機(jī)選取不同膨脹潛勢(shì)范圍內(nèi)的膨脹力,再結(jié)合式(5)、(6)以及室內(nèi)膨脹特性試驗(yàn)可計(jì)算得到弱膨脹、中膨脹和強(qiáng)膨脹石膏質(zhì)圍巖溫度膨脹系數(shù)如表6所列。

表6 溫度膨脹相關(guān)參數(shù)Tab.6 Temperature-expansive related parameters

6.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移分析

取沿開(kāi)挖方向25 m處的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)橫截面進(jìn)行分析。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)膨脹圍巖作用下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力如圖9所示,其不同膨脹潛勢(shì)作用下初期支護(hù)各位置的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別如表7～8所列。在ABQUS中規(guī)定最大主應(yīng)力的正值為拉,最小主應(yīng)力的負(fù)值為壓。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)膨脹圍巖作用下的位移云圖如圖10所示,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各位置的位移變化如圖11所示。

表7 不同膨脹潛勢(shì)下初期支護(hù)最大主應(yīng)力Tab.7 Maximum principal stress of initial support under different expansion potential mPa

圖9 強(qiáng)膨脹圍巖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖(單位:Pa)Fig.9 Principal stress cloud diagram of primary support structure of strong expansive surrounding rock

圖10 強(qiáng)膨脹圍巖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.10 Displacement cloud diagram of primary support structure of strong expansion surrounding rock

圖11 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移Fig.11 Displacement diagram of initial support structure

由圖9、表7和表8可知:在膨脹壓力作用下,墻腳和拱腰應(yīng)力集中更加顯著。墻腳位置處的應(yīng)力隨著膨脹潛勢(shì)的增加而些許降低;拱腰位置的拉應(yīng)力隨著膨脹潛勢(shì)的增加而降低,而壓應(yīng)力卻是與膨脹潛勢(shì)呈正相關(guān)。拱頂位置的拉應(yīng)力從非膨脹到強(qiáng)膨脹增加470 kPa,但壓應(yīng)力降低780 kPa,這是由于膨脹力增強(qiáng)了壓力拱的水平推力,使拱部抵抗壓應(yīng)力的能力加強(qiáng)。仰拱位置拉應(yīng)力隨著膨脹等級(jí)的增加而降低;壓應(yīng)力在非膨脹時(shí)為4.20 kPa,而在強(qiáng)膨脹時(shí)達(dá)到48.74 kPa,同比增長(zhǎng)12倍左右;在膨脹壓力作用下,隧道仰拱所受的垂直壓力增加,從而導(dǎo)致其壓應(yīng)力增加。

表8 不同膨脹潛勢(shì)下初期支護(hù)最小主應(yīng)力Tab.8 Minimum principal stress of initial support under different expansion potential MPa

由圖10～11可知,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向位移中,除③號(hào)位置隨著膨脹潛勢(shì)同步增加,其余位置均與膨脹潛勢(shì)呈負(fù)相關(guān),其中②號(hào)位置在非膨脹時(shí)位移最大,為0.44 cm。初期支護(hù)豎直方向位移中,所有位置的位移均隨著膨脹潛勢(shì)的增長(zhǎng)而增加;其中③號(hào)位置增長(zhǎng)率最高,由0.23 cm增長(zhǎng)至1.54 cm,同比增長(zhǎng) 6.7 倍左右;⑥號(hào)位置增長(zhǎng)量最高,由1.62 cm增長(zhǎng)至3.75 cm,增長(zhǎng)2.14 cm。

通過(guò)分析可知,隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)松動(dòng)破壞,為石膏質(zhì)巖與水接觸創(chuàng)造了條件,以致石膏質(zhì)巖中硬石膏吸水轉(zhuǎn)化為石膏,降低了圍巖強(qiáng)度;同時(shí),石膏質(zhì)巖吸水膨脹,進(jìn)一步增加了隧道結(jié)構(gòu)向內(nèi)的擠壓變形,其中仰拱位移變化最大。

7 結(jié) 論

針對(duì)五指山隧道工程,本文基于膨脹特性試驗(yàn)和BET比表面積分析,確定了其石膏質(zhì)巖層的膨脹潛勢(shì)判定標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)數(shù)值模擬分析不同膨脹潛勢(shì)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響,得到如下結(jié)論:

(1) 在XPS、XRF分析中,確認(rèn)五指山隧道圍巖為石膏質(zhì)巖,且O元素與Ca元素之比大于4∶1,CaO的含量百分比為39.70%,SO3的含量百分比為 56.44%,硬石膏含量高于石膏含量。

(2) 在膨脹特性試驗(yàn)中,石膏質(zhì)巖的水化程度與自由膨脹率、無(wú)荷載膨脹率和膨脹力呈負(fù)相關(guān)。建立了以無(wú)荷載膨脹率、膨脹力和BET比表面積為指標(biāo)的石膏質(zhì)巖膨脹潛勢(shì)判定標(biāo)準(zhǔn),并判定五指山隧道的石膏質(zhì)圍巖為中膨脹巖。該膨脹潛勢(shì)判定標(biāo)準(zhǔn)可快速且準(zhǔn)確地獲得石膏質(zhì)圍巖的膨脹潛勢(shì),為隧道前期設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

(3) 在數(shù)值模擬中,初期支護(hù)各位置壓應(yīng)力變化幅度較大,拉應(yīng)力變化率較低;拱腰和墻腳出現(xiàn)應(yīng)力集中;拱頂位置壓應(yīng)力降低,拉應(yīng)力增加;仰拱位置壓應(yīng)力增加12倍左右。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各位置在水平方向位移均降低,位移最大為0.44 cm;各位置在豎直方向位移均增加,其中仰拱位置的位移增長(zhǎng)量最大,為2.14 cm;拱頂位置的位移增長(zhǎng)率最高,為6.7倍左右。分析表明,當(dāng)隧道工程遭遇石膏質(zhì)巖地層時(shí),應(yīng)加強(qiáng)拱頂和仰拱位置的支護(hù)。