基于濕陷性黃土流變特性的隧道穩定性分析*

歐湘萍 郭慧峰 尹 航 朱云升 呂乃芝 閆志濠 陳明廉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢市政工程設計研究院有限責任公司2) 武漢 430015) (甘肅長達路業有限責任公司3) 蘭州 730000)

0 引 言

我國西部是高原多山黃土地帶[1]，在高等級道路建設中常需開挖黃土隧道.對黃土隧道而言，施工過程中的擾動會對黃土結構產生破壞，導致其長期力學特性損傷劣化；運營過程中黃土地層地下水向隧道洞周遷移滲透也會引起隧道洞周黃土圍巖的增濕濕陷[2]，會降低圍巖的物理力學強度指標，同時，黃土濕陷造成的變形還會給襯砌結構帶來較大的荷載，使得襯砌結構出現裂隙導致整體結構失穩.因此，對黃土特性的研究成為建設黃土隧道中極其重要的內容.馬莉英等[3]對甘肅原狀黃土試樣進行了三軸剪切蠕變試驗，通過應力路徑控制偏應力大小模擬了該土體的蠕變、卸載和松弛過程，得到了該土體的剪切模量隨時間和隨法向應力的變化規律.Korzenrowski[4]使用承壓板儀對硬巖柱進行了現場流變試驗，并使用Burgers(伯格斯)模型反映其流變特性.

本文運用flac3d軟件，分別選取摩爾-庫倫及伯格斯模型，基于黃土的流變特性，針對性的對黃土隧道進行施工過程及后期運營中的穩定性進行分析，以期對實際工程的設計與施工提供參考與指導.

1 實體模型的建立

以蘭州定遠隧道為依托工程.定遠隧道位于甘肅省蘭州市東郊榆中縣定遠鎮西側，其地層為中等濕陷性黃土.該隧道為分離式長隧道，左右線長度分別為1 398.297和1 372.713 m，設計行車速度80 km/h.拱頂部采用R=737 cm圓弧，側拱半徑R=543 cm圓弧，側墻采用R=793 cm大半徑圓弧，仰拱半徑為1 800 cm，仰拱與側墻間采用R=150 cm小半徑圓弧連接.

采用有限差分法，利用flac3d軟件建立數值分析模型.考慮到開挖隧道圍巖的應力場和位移場在3倍洞徑之外的區域其變化量不足5%，結合隧道相關資料，隧道上方荷載只考慮覆土的自重，建立了長寬高的尺寸為80 m×10 m×210 m的三維模型，模型共有20 864個單元及26 395個節點，模型整體圖和隧道模型局部圖見圖1.模型的邊界范圍為隧道左側和右側均取35 m，隧道底部取40 m ，隧道頂部埋深范圍取160 m，其余各線施加法向約束，等效的隧道埋深為160 m.

圖1 隧道模型圖

根據隧道臺階法的施工步驟，模型模擬了隧道整個開挖及支護過程，主要模擬以下4個施工步驟：①上臺階開挖，并施加初襯；②中臺階開挖，并施加初襯；③下臺階開挖，并施加初襯；④二次襯砌.

土層材料模型選用摩爾-庫倫本構模型，單元類型為Solid實體單元，襯砌材料模型選用線彈性模型.定遠隧道黃土的物理力學參數和隧道支護結構參數分別見表1～2.

表1 黃土物理力學參數表

表2 隧道支護參數表

2 隧道開挖過程中的圍巖穩定性分析

2.1 隧道開挖過程中的圍巖應力及位移分析

圖2為隧道開挖過程中每一步開挖初期支護后形成的應力云圖.

圖2 隧道開挖地應力圖(單位：Pa)

隨著隧道斷面的開挖，原始應力充分釋放，隧道上方形成卸壓區域，并出現似漏斗狀的松散體區域，松散體的穩定性由初始支護力來維持，支護力的大小基本等同于松散體圍巖的重力.總體開挖后圍巖應力的分布趨勢為，拱頂區域卸載，圍巖應力減少；拱腳區域加載，圍巖應力增加.

表3開挖過程中隧道各監測點應力變化MPa

施工工序以下監測點應力拱頂拱底拱肩上臺階開挖-0.177 53-0.536 25-8.195 7中臺階開挖0.278 07-0.512 33-8.100 1下臺階開挖0.277 09-0.500 24-8.233 8

由表3可知，上臺階開挖時，大量圍巖應力釋放，隧道圍巖向內空區運動使應力場平衡，此時拱頂出現0.17 MPa壓應力，由于埋深較大，側向壓力對拱肩的影響明顯，最大壓應力出現在拱肩位置為8.2 MPa.在及時噴射混凝土和錨桿支護后，圍巖和噴錨層形成受力整體，限制了圍巖繼續變形，開挖中臺階的土體對周圍環境擾動較小，在拱頂區域產生了0.27 MPa的拉應力，中臺階的卸載也使拱底的壓應力相對減小.開挖下臺階時，整個應力場基本處于平衡狀態，變化甚微.

圖3～5為隧道開挖過程中位移場變化圖.

圖3 隧道上臺階開挖位移云圖(單位：m)

在臺階法開挖過程中，上臺階施工會對圍巖造成相對較大的擾動，拱頂位置會有將近26 cm的沉降，拱底圍巖因為卸載回彈，產生將近24 cm的隆起.水平位移總體呈蝴蝶狀對稱分布，最大水平位移出現在拱肩位置.

圖4 隧道中臺階開挖位移云圖(單位：m)

開挖上臺階后立即施加初期支護，約束了圍巖的變形，因此,開挖中臺階階段對拱頂的圍巖沒有太大擾動，拱頂沉降值、拱底隆起及水平位移變化較小.

圖5 隧道下臺階開挖位移云圖

開挖下臺階時，對拱底圍巖擾動最大，拱底隆起相對減小1.8 cm，其他位置基本保持穩定.整個隧道開挖過程中，各監測點的位移變化情況見表4.

表4開挖過程中隧道各監測點位移變化cm

開挖工序監測點拱頂拱底豎向位移拱肩水平位移上臺階開挖-26.0424.398.23中臺階開挖-28.4421.908.91下臺階開挖-28.4520.078.94

在隧道開挖過程中圍巖的豎向位移和水平位移相對隧道中線分別呈漏斗狀和蝴蝶狀對稱分布.其中拱頂、拱底區域圍巖以豎向位移為主，拱肩區域以水平位移為主，符合自重應力作用下拱頂卸載下沉而拱底卸載回彈的力學特性.隨著開挖過程中的初期支護，位移變化量逐漸減小，隧道圍巖日趨穩定.

2.2 不同埋深斷面的隧道開挖圍巖位移分析

對于濕陷性黃土而言，含水率是影響其工程性質的重要因素.針對不同埋深不同含水率的隧道斷面進行分析，可以更加全面的評價開挖過程中隧道圍巖的穩定性.根據隧道相關資料，選取埋深30 m、含水率2.8%的斷面，埋深80 m、含水率5%以及埋深160 m、含水率11.7%的3個斷面分別進行隧道開挖工況模擬，開挖過程中各監測點的位移情況見表5.

表5 不同斷面開挖位移變化對比 cm

對于埋深30 m的隧道斷面，其圍巖含水率較低，工程性質較為穩定，上層覆土自重應力場較小，在開挖過程中拱頂累積沉降值僅為9.7 cm，拱底略有隆起，由于側向應力較小，拱肩處的水平位移沒有太大變化.對于埋深80 m的隧道斷面，圍巖含水率增加到5%，由于黃土顆粒間膠結物的溶解和骨架結構的破壞，圍巖的力學性能變差致使變形增大，拱頂累積沉降值為20.2 cm，拱底隆起13.8 cm，拱肩處產生4.5 cm的水平位移.到埋深160 m處，拱頂、拱底及拱肩的變形值因含水率的增加而進一步增大.通過不同斷面位移對比分析可知，淺埋段拱肩處位移受側向壓力的影響變化較為明顯；深埋段含水率的增大改變了圍巖的工程性質，拱頂累積沉降值最大，因此最大埋深處屬于定遠隧道施工中最不利斷面.

3 隧道長期穩定性分析

通過對定遠隧道的原狀黃土進行三軸蠕變試驗，經數學方法擬合分析，選取伯格斯蠕變模型來描述定遠隧道濕陷性黃土的長期流變特性，分析定遠隧道在30年的圍巖變形及支護結構受力隨時間變化的規律[5-8].

3.1 不同埋深斷面的隧道圍巖蠕變分析

不同埋深處的隧道圍巖應力場大小不同，在隧道長期的運營過程中也會產生不同的流變效應.現選取3個典型斷面(埋深30,80,160 m)進行長期蠕變分析，將其拱頂沉降收斂趨勢整理見圖6.

圖6 不同斷面拱頂沉降收斂趨勢

由圖6可知，3個埋深段面的圍巖均有較明顯的蠕變效應.30 m埋深斷面拱頂累計沉降為0.68 cm，約在45 d收斂；80 m埋深斷面拱頂累積沉降約為2.2 cm，約在150 d收斂；最大埋深160 m處沉降約為3.2 cm，在230 d收斂.隨著埋深增大，含水率相應增加，濕陷性黃土的力學強度指標相對降低，其粘滯性能也會發生改變，因此，不同埋深處斷面的蠕變出現不同收斂時間和沉降值.最大埋深處圍巖含水率為11.7%，其蠕變特性也最為明顯，圍巖蠕變效應產生了最大的變形，對襯砌結構的影響也是最大的，對該斷面的蠕變分析可以初步評判隧道的長期穩定性.

現以最大埋深處(160 m)的隧道斷面圍巖流變效應對襯砌結構帶來的影響為評判標準，來分析隧道的長期穩定性.在隧道斷面的拱頂和拱底分別設置監測點并進行30年(9.46×108s)蠕變計算，見圖7.圖8為拱頂和拱底監測點在蠕變階段位移變化趨勢.

圖7 位移監測點

圖8 拱頂和拱底監測點位移圖

由圖8可知，拱頂位移變化基本分為3個階段：0～0.2×108s(230 d)階段，拱頂圍巖變形速率比較穩定，累積沉降值約為3.2 cm，此階段圍巖處于急劇變形期；0.2×108～1.6×108s(5年)階段，圍巖變形速率逐漸減小，僅有約0.5 cm的累積變形量，此時圍巖處于緩慢變形期；5×108～9.46×108s(30年)階段，圍巖位移速率逐漸趨近于零，在25年的時間內變形量不到0.4 cm，此時圍巖基本處于穩定階段.30年的蠕變計算中，拱頂累積沉降約為4 cm，其中前230 d的沉降值占總變形量的80%，因此可以判定，在二襯結束后230 d左右，隧道基本進入穩定階段.

3.2 不同含水率的圍巖蠕變分析

定遠隧道在后期運營過程中，黃土地層中的地下水會向隧道洞周遷移滲透引起洞周黃土圍巖含水率的增大，導致圍巖強度的降低甚至會產生濕陷變形，同時也會影響圍巖的流變特性.現對埋深80 m的隧道斷面進行不同工況下(含水率分別為5%，10%和15%)的蠕變計算，分析相同斷面的圍巖在其含水率增大的情況下其流變特性的差異.對于埋深80 m的隧道斷面，其圍巖含水率不同情況下拱頂因蠕變產生的位移見圖9.

圖9 不同含水率條件下拱頂蠕變收斂趨勢

當含水率增大到10%時，拱頂位移收斂所需時間大概為180 d，累積沉降值為3.5 cm；當含水率增大到15%時，拱頂位移收斂所需時間提高到250 d，累積沉降值為6.2 cm.含水率增大時，圍巖沉降值越大，沉降收斂時間越長，說明含水率對濕陷性黃土的流變效應影響十分顯著.當圍巖位移過大時，容易導致襯砌結構出現裂縫，從而導致整個結構的失穩.因此對于蘭州定遠隧道而言，在施工過程中應該充分考慮隧道防水設計，在初襯和二襯之間鋪設防水帆布，同時還應該加強混凝土結構的抗滲等級，避免地下水對圍巖的影響.

4 結 論

1) 通過模擬隧道開挖過程，分析了不同工況下隧道圍巖應力和位移的變化規律，臺階法施工過程中的上臺階開挖時，原始應力大量釋放，隧道圍巖有向內空區移動的趨勢，應力場和位移場均發生較大變化.隨著開挖后及時進行初期支護，約束了圍巖的變形，中下臺階開挖時，沉降值雖有累積，但變形速率已經遠遠小于開挖初始階段的變形速率.

2) 通過對不同埋深斷面和不同含水率條件下的圍巖蠕變分析，發現含水率與濕陷性黃土的流變效應關系密切，含水率增大會直接導致圍巖蠕變過程中拱頂沉降值增大，收斂時間變長.因此，加強蘭州定遠隧道施工過程中的防水設計可以降低圍巖流變效應對隧道整體結構穩定性的影響.

3) 隧道埋深160 m的斷面其圍巖流變效應最為顯著.施做二襯后，圍巖在蠕變作用下仍會持續變形，初始階段拱頂會發生急速變形，隨著時間的推移，沉降速率逐漸降低；經過230天左右，沉降基本收斂，累積沉降值約為3.2 cm，占總體變形量的80%，隨后29年中，沉降量不到1 cm，可以認為隧道已經進入穩定階段.

參考文獻

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