雨水入滲對膨脹巖隧道及其圍巖滲流場與應力場的影響分析

黃 韜,歐孝奪

(1.南寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院市政設計一所,廣西 南寧 530002；2.廣西大學,廣西 南寧 530000)

0 引言

我國地質遼闊，多個省份都存在著大量的膨脹巖土。在修建地下隧道的過程中會經常需要穿越膨脹土[1]。由于膨脹土的特殊地質特性，給現(xiàn)代隧道的建設和運營帶來了很大的挑戰(zhàn)[2-3]。膨脹土由于其獨特的漲縮特性和強度性質使得其在隧道開挖過程中會出現(xiàn)隧道襯砌結構變形和邊墻開裂等現(xiàn)象，部分膨脹巖隧道在施工過程中處理不當會出現(xiàn)嚴重的病害，影響隧道的正常使用[4]。

國內外學者針對膨脹巖隧道的施工和其特性已有廣泛的研究[5-7]。歐孝奪[8]等利用有限元軟件分析了膨脹分布區(qū)地鐵車站結構的內力分布情況。耿琳[9]等應用數值模擬方法研究了膨脹巖隧道保溫防凍方法，為季凍區(qū)膨脹巖隧道凍害防治提供了很好的參考價值。陳釩[10]等對不同巖層走向的膨脹巖隧道進行了分析，闡述了膨脹巖的巖層走向對隧道建設的影響。本文主要結合膨脹巖隧道工程特性試驗分析了雨水入滲對膨脹巖隧道及其圍巖的穩(wěn)定性能分析。

1 膨脹巖隧道圍巖的應力分析

膨脹巖隧道在雨水入滲的情況下會產生巖體的緩慢滑動，隨著雨水入滲的時間增加，隧道洞體四周的圍巖會失去原有的應力平衡狀態(tài)，當應力平衡狀態(tài)被破壞時，隧道圍巖在一定的范圍內會發(fā)生應力重分布的現(xiàn)象[11-12]。當重分布后的應力超過圍巖隧道的極限承載力時，巖體會出現(xiàn)局部破壞，最終引發(fā)隧道整體的破壞和坍塌。本文在分析雨水入滲對膨脹巖隧道圍巖的影響時，主要應用的是泰沙基理論[13]。

泰沙基理論的理論基礎是松散介質的平衡理論。隧道距離地面h處其圍巖的豎向壓應力為：

(1)

式中：σν、γ分別為圍巖隧道的豎向壓應力、圍巖的容重；k、φ分別為水平應力和垂直應力之比、圍巖的內摩擦角。

(2)

根據泰沙基理論對斷面尺寸為3.5 m×3.5 m的隧道圍巖進行測量，圍巖的分類表如表1所示。

表1 隧道圍巖分類表Table 1 Tunnel surrounding rock classification table巖體狀態(tài)負荷高度/m說明堅硬,無損害0設置輕型支護結構大塊,有節(jié)理(0～0.25)B局部荷載作用,變化無規(guī)律,設置輕型支護裂隙很多,塊度很小(0.35～1.0) (B+H)無側壓擠壓變形慢的巖土(1.1～2.1) (B+H)側壓很大,建議用圓形支撐膨脹性地質超過80圓形支撐,嚴重時考慮可縮性支撐注:表中H代表隧道高度,B代表隧道寬度。

從表1的隧道圍巖分類可知：巖體的構造和其特征時隧道圍巖分類的依據。

2 膨脹巖隧道工程特性試驗

隧道的病害在很大程度上都與其圍巖的變形相關，圍巖的工程特性直接影響著隧道的健康運營狀態(tài)[14]。本文以膨脹巖隧道為例研究了其工程特性，主要明確了膨脹巖隧道的基本物理力學參數和相應的膨脹特性指標，可以為后續(xù)的模擬分析提供一定的參考。

2.1 隧道圍巖基本物理力學參數

膨脹巖隧道圍巖相對于普通的隧道巖體主要的特點是吸水后會出現(xiàn)膨脹、失水后會出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象[15-16]。同時，膨脹巖隧道圍巖的吸水膨脹性與其開始的含水率和隧道土體的密度相關。

本文選取的膨脹巖隧道圍巖土體的含水率試驗結果如表2所示。

表2 膨脹巖隧道圍巖土體含水率試驗結果Table 2 Test results of water content of surrounding rock and soil of swelling rock tunnel試驗次數盒/g烘干前/g烘干后/g差值/g干土質量/g含水率/%含水率均值/%119.5254.1649.864.3030.4714.32220.3556.4351.864.5730.6514.5414.35320.1254.6850.274.4128.7514.18

密度的試驗結果如表3所示。

表3 膨脹巖隧道圍巖土體密度試驗結果Table 3 Test results of soil mass density of surrounding rock of swelling rock tunnel試 驗次數環(huán)刀/g環(huán)刀加土質量/g土質量/g環(huán)刀體積/cm3密度/g·cm-3 平均密度/g·cm-3 平均干密度/g·cm-3 143.36151.70108.34601.85243.61150.98107.37601.821.821.58343.45149.21105.76601.79

根據土體的力學知識可知：土體的干密度和含水率可以相互轉換，具體的轉換公式如下：

(3)

式中：ρd、ρ分別為土體的干密度、密度；ω為土體的含水率。

通過土體的固結試驗可以分析其壓縮系數和相應的壓縮特性。膨脹巖隧道圍巖土體的固結試驗結果如表4所示。

表4 膨脹巖隧道圍巖土體固結試驗指標Table 4 Consolidation test index of surrounding rock and soil of swelling rock tunnel壓力/MPa變形量/mm孔隙比壓縮系數/MPa-1壓縮模量/MPa00.0000.965——500.1420.9480.365.761000.2150.9390.2110.842000.2860.9320.0828.544000.3640.9230.0643.25

從表4和圖1可以發(fā)現(xiàn)：隨著隧道圍巖承受的壓力逐漸增加，土體的孔隙比呈現(xiàn)降低的趨勢，壓縮系數逐漸減小，同時土體的壓縮模量逐漸增加。

圖1 土體固結過程中的孔隙比 — 壓力曲線

2.2 隧道圍巖的膨脹特性

膨脹巖隧道土體含水率指標一般有膨脹含水率、自由膨脹率和膨脹的作用力等。本文主要通過自有膨脹試驗分析膨脹巖隧道圍巖的膨脹特性。土體的膨脹試驗結果如表5所示。

表5 土體的膨脹試驗結果Table 5 Soil expansion test results試樣編2號蒙脫石含量/%自由膨脹率/%膨脹土分級117.850.8弱膨脹土215.546.7弱膨脹土318.150.9弱膨脹土417.149.4弱膨脹土515.347.3弱膨脹土

本文試驗分別選擇含水率為10%、15%、20%、25%、30%的土體試樣研究土體膨脹的特性。試驗結果如圖2所示。

圖2 不同含水率下的膨脹量

從圖2中可以看出：土體的含水率大小直接影響著其膨脹量。土體的含水率越高，隨著時間的增加，其最終形成的膨脹量越小。不同的含水率下，土體的膨脹量隨著時間的變化趨勢基本一致，可以大致分為3個階段：膨脹量迅速增加階段、膨脹量緩慢增加階段和穩(wěn)定不變階段。其主要的原因是土體在開始階段，其含水率較低，隨著不斷的吸水，土體逐漸變得飽和，吸水性能下降，最終達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 雨水入滲下膨脹巖隧道的穩(wěn)定性分析

膨脹巖隧道在雨水入滲的情況下，其圍巖的膨脹巖體因為吸水膨脹性會出現(xiàn)體積變化的現(xiàn)象，嚴重時會導致土體的開裂。土體的開裂在一定程度上加快了雨水的入滲，使得圍巖的整體含水率逐漸增加，最終使得隧道的穩(wěn)定性能下降。本文利用有限元FLAC軟件建立膨脹巖隧道圍巖系統(tǒng)在雨水入滲情況下的數值模型，研究雨水入滲對膨脹巖隧道及其圍巖的滲流場和應力場的影響。

3.1 數值計算模型

本文為了研究雨水入滲對膨脹巖隧道圍巖的影響，在試驗過程中分別進行了同變量參數的對照試驗。試驗隧道半徑設置為3.5 m，隧道圍巖襯砌結構的厚度為0.35 m，隧道斷面尺寸為50 m×40 m。隧道的地下水位處于距地面15 m的深度，假定地表的雨水在入滲到隧道圍巖的過程中無徑流現(xiàn)象。試驗的具體土層參數和水流量分布如圖3所示。

(a) 試驗土層分布

3.2 滲流場結果分析

為了分析雨水入滲對膨脹巖隧道圍巖的滲流場影響，本文以降雨的時長作為變量，降雨的強度假定為5 mm/d。圖4所示為降雨1～4 d情況下膨脹巖隧道圍巖的飽和度變化情況。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：隨著降雨時長增加，地下水位以上的土體壓力由開始的零先增加后又逐漸減小。隨著深度的增加，土體受雨水入滲時長的影響變小。當土體位于地下水位以下時，其處于飽和的狀態(tài)，孔隙水的壓力隨著深度的變化呈現(xiàn)線性分布的趨勢。當降雨時長逐漸增加時，雨水入滲的范圍也逐漸擴大，土體達到飽和狀態(tài)區(qū)域隨著增加，土體的飽和區(qū)隨著降雨時長的增加向更加深度擴散。

(a) 1 d

3.3 應力場結果分析

本文從降雨時長的角度研究雨水入滲對膨脹巖隧道圍巖應力場的影響。圖5所示為不同降雨時長隧道圍巖豎直位移變化云圖。

圖6、圖7分別為不同降雨時長隧道圍巖豎直、水平位移量變化圖。結合圖5～圖7可知：隨著降雨天數的逐漸增加，隧道圍巖的豎直和水平位移也逐漸增加。同時，隧道圍巖的頂端和其底部的剪切破壞區(qū)域開始逐漸的向下延伸，隧道兩側的土體逐步出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象。雨水持續(xù)時間的增加使得隧道圍巖的土體可以收縮，增加了地表下沉的速度和范圍。從圖5可以看出：隧道圍巖水平方向上的位移呈現(xiàn)對稱分布的現(xiàn)象，土體含水率的增加導致了圍巖的膨脹力也逐漸增加。

(a) 1 d

圖6 不同降雨時長隧道圍巖豎直位移量變化圖

圖7 不同降雨時長隧道圍巖水平位移量變化圖

4 結論

本文通過研究膨脹巖隧道圍巖的工程特性分析了雨水入滲情況下膨脹巖隧道的穩(wěn)定性能，主要得到的結論如下：

a.膨脹巖隧道圍巖的膨脹試驗表明：膨脹巖土體的含水率大小直接影響著其膨脹量。土體的含水率越高，隨著時間的增加，其最終形成的膨脹量越小。不同的含水率下，土體的膨脹量隨著時間的變化趨勢基本一致，可以大致分為3個階段：膨脹量迅速增加階段、膨脹量緩慢增加階段和穩(wěn)定不變階段。

b.雨水入滲的情況下，膨脹巖隧道頂部的圍巖會發(fā)生沉降的現(xiàn)象，而隧道底部圍巖基本不受降雨的影響，降雨入滲對膨脹巖隧道圍巖產生了剪切破壞的效應。

c.隨著降雨時間的增加，雨水濕潤的土體面積也逐漸擴大，加快了土體含水率上升的速度，使地表的沉降量增加。同時，當降雨量達到一定的范圍時，膨脹巖隧道的圍巖土體膨脹力會隨著其含水率的增加而增大，隧道圍巖發(fā)生剪切破壞的范圍也會逐步擴大。