李家坪隧道膨脹性圍巖力學(xué)特性試驗(yàn)及塌方原因分析

張 毅， 折學(xué)森， 高學(xué)伸

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

1 研究背景

膨脹土等復(fù)雜的地質(zhì)條件給我國公路、鐵路建設(shè)帶來了很大的困難。膨脹土黏粒成份主要由強(qiáng)親水性礦物質(zhì)組成，具有吸水膨脹、失水收縮并往復(fù)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(guān)。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(gòu)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(qiáng)度特性的認(rèn)識。前人已在膨脹土變形特性方面開展了大量的試驗(yàn)研究[1-8]。其中，吳道祥等[1]采用理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對膨脹土的特性、脹縮機(jī)理及其影響因素進(jìn)行研究；李皎[2]采用三軸壓縮試驗(yàn)測定了膨脹土在不同干密度和含水率情況下的三軸強(qiáng)度，結(jié)果表明含水率對膨脹土三軸強(qiáng)度的影響非常顯著；謝舒雷等[3]采用室內(nèi)試驗(yàn)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(guān)聯(lián)；徐彬等[5]通過直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)研究了膨脹土含水率變化過程中強(qiáng)度的變化規(guī)律。這些研究為探究弱膨脹土的脹縮機(jī)理、水理特性及其影響因素提供了基礎(chǔ)。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(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并沒有與實(shí)際的隧道工程施工相結(jié)合。

由于膨脹土的脹縮性、強(qiáng)度等工程特性，導(dǎo)致在建隧道變形坍塌事故時有發(fā)生。因此，不少學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際針對膨脹土力學(xué)機(jī)理及隧道破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。馬曉寧等[9]借助電子顯微鏡和X射線衍射試驗(yàn)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(jié)構(gòu)；王清標(biāo)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(jìn)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(hù)破壞的機(jī)理；周奎等[11]針對復(fù)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(hù)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(jī)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(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的影響，得到了對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)造成不良影響的關(guān)鍵含水率和膨脹力值；胡世權(quán)[15]結(jié)合工程實(shí)踐，探索了過膨脹土隧道變形失穩(wěn)段的施工技術(shù)，提出了大管棚超前支護(hù)，并對傳統(tǒng)的“三臺階七步法”施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)。但是由于膨脹土的性質(zhì)與其物理成分有著密切的關(guān)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(guān)。

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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度試驗(yàn)和膨脹特性實(shí)驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)研究了膨脹土隧道軟弱圍巖性質(zhì)，對隧道出現(xiàn)災(zāi)害的原因進(jìn)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(xué)特性試驗(yàn)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(shí)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(jìn)行重塑土試驗(yàn)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(dāng)然在進(jìn)行含水率試驗(yàn)時這些參數(shù)會根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)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(jìn)口段圍巖為Ⅴ級，表層為強(qiáng)風(fēng)化石英閃長巖，結(jié)構(gòu)松散，埋深較淺，下部為中風(fēng)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(fēng)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(jìn)行鉆孔勘測，并進(jìn)行蒙脫石含量測定和膨脹土自由膨脹率測定等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其自由膨脹率為50%～53%，屬于弱膨脹土。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 膨脹土膨脹性試驗(yàn)結(jié)果 %

李家坪隧道處于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上的低山區(qū)，附近無地表水體并遠(yuǎn)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(gòu)造。強(qiáng)-中風(fēng)化巖體，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體松散破碎；中-微風(fēng)化巖體，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)-塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。

隧道采用三臺階預(yù)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(qiáng)度降低。隧道進(jìn)洞口48 m處掌子面在鋼拱架安裝準(zhǔn)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(zāi)害

3 膨脹土三軸強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 含水率對膨脹土三軸強(qiáng)度的影響

為研究含水率對膨脹土三軸強(qiáng)度的影響，取5個膨脹土樣本進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用重塑膨脹土土樣，圖2為5組膨脹土試樣的擊實(shí)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(qiáng)度的影響，在開始試驗(yàn)之前，將膨脹土?xí)窀赡雺哼^2 mm細(xì)篩子，配置6組含水率分別為12%～22%的膨脹土標(biāo)準(zhǔn)試樣，在控制相同的圍壓條件下進(jìn)行三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。不同含水率的膨脹土三軸強(qiáng)度曲線如圖3所示，試驗(yàn)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(dāng)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(qiáng)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(xué)鍵的連接作用、膠結(jié)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(yīng)地增加，較厚的水膜會大大削弱土顆粒間的連接強(qiáng)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(qiáng)度的影響

為研究干密度對膨脹土三軸強(qiáng)度的影響，取5個膨脹土樣本進(jìn)行試驗(yàn)。配置5組干密度為1.46～1.81 g/cm3的膨脹土標(biāo)準(zhǔn)試樣，在控制相同的圍壓條件下進(jìn)行三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。不同干密度的膨脹土三軸強(qiáng)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(qiáng)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(guān)系，當(dāng)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(jié)強(qiáng)度的影響大于內(nèi)摩擦角。當(dāng)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?yàn)楦擅芏鹊脑黾訒s小膨脹土顆粒間的距離，因此顆粒間的相互作用得到增強(qiáng)。此外，顆粒間的咬合(或摩擦)作用會大幅增加，這是最關(guān)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(dāng)膨脹土干密度接近最大干密度時，顆粒間的咬合強(qiáng)度隨干密度的增加速度明顯降低。因此，當(dāng)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(yàn)

4.1 膨脹率測試

膨脹率是試樣在有側(cè)限條件下浸水膨脹增量與初始試驗(yàn)高度的比值，本試驗(yàn)中沒有施加垂直荷載，屬于無荷膨脹率試驗(yàn)。因?yàn)闊o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(biāo)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(jìn)行浸水膨脹試驗(yàn)，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(guān)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(dá)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(yàn)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。快速膨脹是因?yàn)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(dá)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(yīng)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(yīng)力。配置5組含水率分別為12%、18%、22%、26%、30%的膨脹土試樣進(jìn)行浸水膨脹試驗(yàn)，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(guān)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(dá)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(yīng)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(zāi)害現(xiàn)象，應(yīng)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(shè)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(gòu)模型可以得到與圍巖形變壓力對應(yīng)的洞壁收斂位移關(guān)系的解析解。對于深埋圓形隧道，假定圍巖的側(cè)壓力系數(shù)為1，并滿足均勻、連續(xù)、各向同性，假設(shè)巖體為彈性材料。其力學(xué)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(shè)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(yīng)力,MPa；r為圍巖中任意一點(diǎn)到隧道中心的距離,m；pi為支護(hù)壓力,MPa；p0為原巖應(yīng)力,MPa；R0為隧道開挖半徑,m；Wmax為最大含水率變化值，假設(shè)隧道洞室周邊處含水率變化最大，越往遠(yuǎn)處含水率變化越小。

圖7 隧道力學(xué)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(yīng)綜合考慮各指標(biāo)，當(dāng)甲狀腺內(nèi)多發(fā)結(jié)節(jié)時，不應(yīng)單純考慮良性或惡性，還應(yīng)將良惡性并存考慮在內(nèi)，當(dāng)超聲檢查懷疑甲狀腺腫瘤為惡性時，應(yīng)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(xué)中的幾何方程，可以解得彈性區(qū)圍巖應(yīng)力和位移：

(6)

(7)

(8)

假設(shè)圍巖本構(gòu)為理想彈塑性模型，滿足莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。

莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)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(yīng)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(guān)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(xué)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(dá)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(yīng)力，導(dǎo)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(hù)方面，由于支護(hù)參數(shù)相對較薄弱，土體含水量增大后加大對初期支護(hù)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(dǎo)管注漿施工，根據(jù)坍塌冒頂現(xiàn)場顯示，在兩側(cè)拱腰連接板薄弱位置被剪切壓垮，拱架扭曲變形嚴(yán)重。塌方段掌子面失穩(wěn)后引起后方已支護(hù)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(hù)末端12m，超前管棚段除了對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固外，對于災(zāi)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(guān)鍵，隧道塌方冒頂段采用環(huán)形開挖預(yù)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(yù)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(dǎo)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(guān)。

6 結(jié) 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(dǎo)致水膜之間的連接強(qiáng)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(yàn)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(yīng)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(zāi)害現(xiàn)象，應(yīng)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(yīng)力，隧道自穩(wěn)能力下降，加上支護(hù)體系相對薄弱，是造成隧道塌方的主要原因。

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