黃土隧道圍巖局部浸水靜力特征分析

王少雄, 曹小平, 王建華

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 蘭州 730070)

濕陷性黃土具有孔隙大、水敏性強(qiáng)等物理性質(zhì),這種低壓縮性的黃土一旦浸水濕陷后,其強(qiáng)度會(huì)大幅度下降,產(chǎn)生很大變形。近年來西部的交通基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)展的突飛猛進(jìn):諸如已經(jīng)建成通車的蘭新客運(yùn)專線、銀西高鐵以及北京至拉薩高速(G6)等國家高速公路線路和黃土地區(qū)部分在建高速公路等。在以上這些交通線路中有相當(dāng)數(shù)量的隧道穿越黃土地區(qū)。隨著中國黃土隧道日益增多,途經(jīng)黃土高原區(qū)的線路越來越多。由于黃土土質(zhì)疏松,一方面在隧道開挖施工過程中易變形形成塌方;另一方面隧道運(yùn)營期間當(dāng)圍巖浸水時(shí)易產(chǎn)生濕陷變形。同時(shí),隧道地基的濕陷變形與不均勻沉降會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大程度破壞[1]。除了地表水入滲和水位上升,還有未做好防排水措施等方面,例如強(qiáng)降雨條件下使得基坑積水由滲水通道流到隧道周圍地層,導(dǎo)致隧道周圍土體濕陷,對(duì)隧道的穩(wěn)定與安全造成威脅[2-3]。黃土地層的濕陷變形已成為當(dāng)前黃土地區(qū)工程建設(shè)中急需解決的問題。

關(guān)于黃土隧道浸水濕陷產(chǎn)生的危害,大量的學(xué)者展開了研究。李駿[4]通過大型浸水試驗(yàn)揭示了實(shí)際工程中隧道地層濕陷發(fā)生的水-力條件與襯砌結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)和受力特征,結(jié)合數(shù)值模擬提出了濕陷性黃土的圍巖壓力計(jì)算方法和濕陷系數(shù)與基床系數(shù)的關(guān)系。劉騰等[5]利用理論解析法與數(shù)值模擬方法對(duì)不排水條件下的富水黏土地層盾構(gòu)隧道的開挖面穩(wěn)定性開展研究,推導(dǎo)了已有的適用于不排水分析的開挖面主動(dòng)破壞模式,由黏土不排水離心試驗(yàn)得到破壞區(qū)域范圍,進(jìn)而對(duì)極限支護(hù)力進(jìn)行修正。劉德安等[6]基于富水泥巖隧道大斷面隧道,采用離散元方法分析了開挖面失穩(wěn)過程及前方圍巖變形破壞特征,并且提出超前帷幕注漿結(jié)合超前管棚的預(yù)加固措施。來弘鵬等[7]利用模型試驗(yàn)和有限元軟件,研究了強(qiáng)降雨條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖浸水后的變化特征,認(rèn)為水分通過地表裂縫入滲使得隧道襯砌劣化并在隧道拱部和邊墻部位產(chǎn)生裂縫。但是對(duì)于局部浸水條件下黃土隧道運(yùn)營期間的安全與穩(wěn)定性研究相對(duì)較少,故研究黃土地層圍巖局部浸水濕陷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的濕陷危害防治具有重要意義。

目前,關(guān)于黃土濕陷的數(shù)值模擬尚無明確的本構(gòu)模型,沒有合適的方法來模擬黃土的濕陷過程。蔣明鏡等[8]使用離散元方法對(duì)結(jié)構(gòu)性黃土進(jìn)行研究,分析了加載和浸水過程中結(jié)構(gòu)的損傷變量。但最終沒有得到結(jié)構(gòu)性黃土膠結(jié)顆粒之間的規(guī)律。根據(jù)相關(guān)資料,土體濕陷會(huì)使得土體強(qiáng)度下降,針對(duì)數(shù)值模擬軟件改變?nèi)髲?qiáng)度指標(biāo):彈性模量E,黏聚力c,摩擦角φ來模擬土體浸水后的特性。在巖土工程中主要通過改變黏聚力c和摩擦角φ來分析基坑和邊坡的穩(wěn)定性,修正土體的彈性模量來研究土體的變形。Dong等[9]通過一種“密模修正法”修正土體密度和彈性模量,模擬黃土浸水濕陷變形,并且驗(yàn)證了該方法的可行性。穆曉虎[10]選取彈性模量折減系數(shù)為0.3時(shí)數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較接近。

現(xiàn)依托定西市錦屏隧道,使用Midas/GTS建立計(jì)算模型,對(duì)正常開挖和浸水兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究局部浸水條件下黃土隧道襯砌及圍巖的變形規(guī)律與應(yīng)力特征。

1 工程概況

擬建隧道位于定西市通渭縣,該隧道位于黃土梁昴區(qū),地勢(shì)西南高東北低。隧道右線起訖樁號(hào)YK14+960～YK16+416,長(zhǎng)1 456 m,左線起訖樁號(hào)ZK14+913～ZK16+389,長(zhǎng)1 476 m,隧道最大埋深約111.5 m。隧址區(qū)最高海拔2 140 m,最低海拔2 010 m,相對(duì)高差130 m。上部為風(fēng)積黃土,淺黃色,稍濕,稍密,土質(zhì)均勻,孔隙發(fā)育。隧道洞身主要為新近系泥巖,是隧道洞身通過的主要地層。

2 計(jì)算參數(shù)與有限元模型建立

2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料,濕陷性黃土浸水土體重度會(huì)增大,為了在軟件中模擬土體重度增大的效果,饒偉[11]在浸水濕陷區(qū)域施加了體力荷載。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,采用土體飽和重度來模擬重度增加的效果。圍巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

2.2 有限元模型

使用Midas/GTS建立三維隧道模型,開挖前隧道與圍巖整體模型如圖1所示。隧道開挖方法為中隔壁法(center diaphragm,CD),模型水平方向取90 m,豎直方向取60 m,縱向開挖長(zhǎng)度取 20 m。模型包括圍巖,二襯,初支,錨桿四部分。其中初期支護(hù)厚度26 cm,選用直徑為22 mm的錨桿;圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,隧道導(dǎo)坑與二襯為三維實(shí)體單元,采用各向同性彈性本構(gòu)模型;初級(jí)支護(hù)為板單元,采用植入式桁架單元模擬錨桿,上部分黃土劃分為規(guī)則六面體單元,總體模型共劃分了25 314個(gè)單元。隧道模型四周設(shè)置位移約束,通過施加自重荷載來模擬土體的自重,使用的計(jì)算模型選取0.3作為彈性模量的折減系數(shù)。

圖1 圍巖整體模型Fig.1 Overall model of surrounding rock

該計(jì)算模型考慮浸水范圍為隧道上部土體和拱頂?shù)焦凹缥恢玫膰鷰r浸水。隧道有限元模型如圖2所示。

圖2 隧道有限元模型Fig 2. Finite element model of tunnel

隧道施工步序:左上導(dǎo)坑開挖→作初支,臨時(shí)支撐,打錨桿→左下導(dǎo)坑開挖→作初支,打錨桿→右上導(dǎo)坑開挖→作初支,打錨桿→右下導(dǎo)坑開挖→作初支,打錨桿→完成二襯。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果主要針對(duì)圍巖與襯砌變形與應(yīng)力進(jìn)行分析,隧道特征點(diǎn)1～6布設(shè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 特征點(diǎn)布設(shè)位置Fig.3 Location of feature points

3.1 圍巖位移分析

通過Midas/GTS計(jì)算的結(jié)果,得到各施工步豎向位移云圖如圖4所示,觀察其位移變化規(guī)律。選取拱頂、拱腰、仰拱等特征點(diǎn),分析沉降量隨著開挖進(jìn)程的變化特征。

圖4 開挖各施工步下豎向位移Fig.4 Vertical displacement under each excavation step

根據(jù)錦屏隧道設(shè)計(jì)圖及類似工程支護(hù)參數(shù),計(jì)算模型支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Supporting structure parameters

由豎向位移圖(圖4)可知,隧道開挖后黃土圍巖拱頂處產(chǎn)生最大沉降,最大值為9.60 mm,開挖后在洞室仰拱處產(chǎn)生隆起變形,最大豎向變形為10.9 mm。隨著開挖進(jìn)程,拱頂節(jié)點(diǎn)的沉降快速增加。開挖第5步,拱頂沉降為4.21 mm;開挖第10步后,拱頂沉降為6.73 mm;相比第5步,沉降增加了59%?？梢钥闯鲈诘?0步之后,拱頂沉降增加得比較緩慢。

圖5為黃土隧道圍巖局部浸水后,4種工況下的圍巖豎向位移云圖。

圖5 浸水后各施工步下豎向位移Fig.5 Vertical displacement under each construction step after flooding

根據(jù)上述豎向位移圖,浸水條件下開挖第10步后,隧道洞室拱頂沉降達(dá)到了8.47 mm,比正常開挖狀態(tài)下沉降量增加了25%。拱底豎向位移也增加到12.49 mm,相比浸水前增加了3.71 mm。

隧道開挖與浸水后洞室內(nèi)各特征點(diǎn)的豎向變形如表3所示。

表3 隧道內(nèi)特征點(diǎn)豎向變形Table 3 Vertical deformation of feature points in tunnels

圍巖浸水后隧道也在拱頂位置出現(xiàn)最大沉降,沉降為13.18 mm;比浸水前增加了3.58 mm。局部浸水后隧道拱底處產(chǎn)生隆起變形,最大變形為14.69 mm。浸水后拱肩的沉降顯著增加,沉降大約增加了1.8 mm。同時(shí),圍巖局部浸水后。洞室拱腰位置變形很小,符合黃土隧道對(duì)沉降的要求。

3.2 地表沉降分析

隧道開挖引起的地表沉降曲線如圖6所示,地表沉降和沉降槽的寬度受圍巖土體物理力學(xué)性質(zhì),開挖斷面形狀等條件的影響。從圖6中可以得到開挖后沉降槽大致寬40 m,圍巖局部浸水濕陷對(duì)沉降槽的寬度幾乎不產(chǎn)生影響。沉降與距隧道中線距離呈拋物線分布,地表最大沉降出現(xiàn)在隧道正上方,開挖后最大沉降為4.01 mm,浸水濕陷后地表的最大沉降為5.66 mm。與此同時(shí),在浸水后地表以下10 m處沉降槽寬度比地表處大,沉降也增大到9.18 mm,大約為地表處的1.6倍?？梢钥闯鼍植拷簏S土圍巖產(chǎn)生了較大變形。

圖6 地表沉降曲線Fig.6 Surface settlement curve

3.3 圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖后,洞室周圍的主應(yīng)力方向會(huì)改變,還會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。隧道模型開挖與浸水濕陷后圍巖產(chǎn)生的最大應(yīng)力如圖7和圖8所示。

圖7 開挖后最大主應(yīng)力圖Fig.7 Maximum principal stress force diagram after excavation

圖8 浸水后最大主應(yīng)力圖Fig.8 Maximum principal stress force diagram after immersion

由圖7可以看出,隧道開挖后在拱頂與仰拱處出現(xiàn)最大主應(yīng)力, 開挖后的最大主應(yīng)力為59 kPa。沿著隧道中線兩側(cè)主應(yīng)力對(duì)稱分布,隧道洞室主應(yīng)力在拱頂與仰拱左右側(cè)呈V字形分布,數(shù)值逐漸降低。

根據(jù)以上應(yīng)力云圖得到,浸水后在相同位置出現(xiàn)最大主應(yīng)力。黃土隧道圍巖局部浸水后最大主應(yīng)力為89 kPa,比浸水前增大了50%。隧道洞室主應(yīng)力也在拱頂與仰拱左右側(cè)呈V字形分布,數(shù)值逐漸降低。在浸水區(qū)域內(nèi),浸水濕陷后的最大主應(yīng)力小于開挖后的主應(yīng)力。這是因?yàn)榈蛪嚎s性黃土在自然濕度條件下一旦浸水其強(qiáng)度會(huì)下降很多,產(chǎn)生較大變形。

3.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

隧道開挖完后要進(jìn)行支護(hù),開挖完下面分析開挖與浸水后初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。初級(jí)襯砌的內(nèi)力圖如圖9所示。

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.9 Internal Forces of lining structure

結(jié)果顯示,隧道開挖后襯砌最大彎矩集中在拱頂處,最大彎矩為11.1 kN·m。占比最大的彎矩區(qū)間為0～-31.6 kN·m。圍巖浸水濕陷后襯砌也在拱頂處出現(xiàn)最大彎矩,最大彎矩28.5 kN·m。比開挖后增加了17.4 kN·m?？梢钥闯鳇S土圍巖局部浸水后襯砌內(nèi)力顯著增大,仰拱中部產(chǎn)生正彎矩,墻腳處產(chǎn)生較大負(fù)彎矩。

支護(hù)結(jié)構(gòu)除了初級(jí)襯砌還有錨桿,圖10為浸水后錨桿軸力云圖?？梢钥闯?隧道開挖完后,錨桿在洞室中大部分承受拉力,錨桿承受的最大拉力為40.0 kN。浸水后錨桿最大軸力為40.6 kN,由于初級(jí)支護(hù)比較厚,所以圍巖浸水濕陷后對(duì)于錨桿的軸力沒有太大影響。

圖10 浸水后錨桿軸力圖Fig.10 Shaft diagram of post-submerged anchor shaft

該模型中襯砌采用C25混凝土,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)得到,其軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為11.9 MPa,軸心抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.27 MPa。提取開挖與浸水后襯砌最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力云圖,如圖11和圖12所示。

圖11 開挖后襯砌應(yīng)力Fig.11 Lining Stress after excavation

圖12 浸水后襯砌應(yīng)力Fig.12 Lining stress after flooding

由上述結(jié)果顯示,正常開挖后占比最大的主應(yīng)力區(qū)間為0～-6.81 MPa,占比為15.1%,浸水后占比最大的主應(yīng)力區(qū)間是0～-2.94 MPa?？梢钥闯?隧道襯砌主要承受壓應(yīng)力。開挖后襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳處,應(yīng)力為4.15 MPa。最大拉應(yīng)力主要集中在拱肩位置,最大值為1.91 MPa。圍巖浸水后襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為5.06 MPa,最大拉應(yīng)力為2.08 MPa。在圍巖浸水后,最大壓應(yīng)力為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的42%。最大拉應(yīng)力超過了抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,可以通過加強(qiáng)支護(hù)來使其滿足要求,例如加超前小導(dǎo)管或者鋼架。

綜上所述,圍巖局部浸水后其強(qiáng)度降低,致使黃土圍巖逐漸失去承載力,相比正常開挖后,浸水后隧道上方圍巖土體重度增大作為荷載作用到襯砌結(jié)構(gòu),使隧道結(jié)構(gòu)變形和受力發(fā)生變化,對(duì)隧道運(yùn)營期間的安全和穩(wěn)定造成一定影響。

4 結(jié)論

(1)圍巖浸水后,隧道上方土體與襯砌整體出現(xiàn)沉降,相比正常施工完后,拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?3.18 mm,相比開挖后增加了3.58 mm。地表最大沉降量出現(xiàn)在隧道正上方,地表沉降槽大約寬40 m,其寬度在圍巖浸水后幾乎不變化。浸水濕陷后地表的最大沉降量為5.66 mm。

(2)黃土隧道在開挖與浸水濕陷后,圍巖的最大主應(yīng)力主要集中在仰拱位置,開挖后最大主應(yīng)力為59 kPa,浸水后,最大主應(yīng)力達(dá)到89 kPa。相比開挖后,增大了50%。

(3)圍巖浸水后襯砌在拱頂處產(chǎn)生最大彎矩,最大彎矩為28.5 kN·m,比開挖前增大了17.1 kN·m。浸水后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力顯著增加。開挖后襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為4.14 MPa,最大拉應(yīng)力為1.9 MPa,圍巖浸水后襯砌最大壓應(yīng)力為5.06 MPa,最大拉應(yīng)力為2.08 MPa。最大壓應(yīng)力為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的42%,最大拉應(yīng)力超過抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。