膨脹巖脹縮特性對隧道的穩定性影響研究

王 碩， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031)

膨脹巖，不僅具有吸水膨脹-失水收縮的特性，且其強度也會隨著含水量的增加而出現衰減的現象[1-2]。所以在膨脹巖地層中TBM開挖隧道時，圍巖受到擾動，富水地層的地下水通過裂隙流到管片背后，沿著隧道管片縱向流動到貧水地層，再從洞周向各方向擴散，使膨脹巖吸水膨脹產生變形，壓迫支護結構從而對管片產生膨脹力。這樣容易引起隧道發生過大變形等問題，嚴重影響工程的安全和穩定性[3-4]。

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧洞穿越區域工程地質、水文地質條件復雜，穿越膨脹巖地層，富水性好，施工面臨著膨脹巖遇水膨脹和巖體軟化，因此膨脹巖TBM施工是急待研究的[5-7]。

1 工程概況

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道樁號0+000～1+620段，該段隧道埋深自南向北逐漸增加，最深560m，圍巖為西瓦利克下段(LS)砂巖、泥巖互層，砂巖、泥巖約各占50 %，位于地下水位以下，洞壁潮濕，沿結構面有滲水或滴水。砂巖集中段Ⅲ級圍巖約占70 %，Ⅳ級圍巖約占25 %，局部地質構造發育、巖體破碎洞段為Ⅴ級圍巖，約占5 %；泥巖集中段Ⅳ級圍巖約占50 %，Ⅴ級圍巖約占50 %。其中泥巖為強膨脹巖，自由膨脹率Fs=41%～101%，對隧道的施工和后續使用影響很大[8-9]。

引水隧道斷面型式為圓形，采用TBM掘進，全長采用預制混凝土管片襯砌，襯砌內直徑為4.2m，厚度為0.3m，豆礫石填充層厚度為0.13m，其橫斷面如圖1所示。

圖1 引水隧道橫斷面(單位：m)

2數值計算

2.1 物理力學參數

數值模型中，圍巖膨脹前后都采用摩爾-庫倫塑性本構模型，豆礫石填充層和管片支護結構采用彈性本構模型。管片內直徑為4.2m，厚0.3m，豆礫石層內直徑為4.8m，厚0.13m，圍巖、豆礫石層和管片物理力學參數見表1。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數

2.2 計算參數和計算工況

本次計算共設置了三種邊界條件[14-16]：

(1)位移邊界條件、孔隙水壓邊界和應力邊界。位移邊界條件：在初始時刻，左右邊界設置水平位移約束，底部設置水平和豎向位移約束，前后設置水平位移約束，頂部不施加約束。

(2)孔隙水壓邊界：在初始時刻，左右邊界設置孔隙水壓邊界。預設水位線于隧道底部以下15m，水位線以上孔隙水壓為負值。

(3)應力邊界：在模型頂面施加相應的均布荷載，模擬不同工況下的埋深。

2.3 計算工況方案設置

模型隧道開挖方式采用全斷面開挖來模擬TBM的掘進過程，當隧道掘進至離模型隧道口縱向深度10m時，通過激活孔隙流邊界，向隧道洞周圍巖滲流地下水，并模擬不同埋深下圍巖吸水膨脹過程，研究TBM隧道開挖時圍巖膨脹的變形過程和失穩規律以及支護結構的受力特征，具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

2.4 計算結果分析

膨脹巖TBM隧道掘進支護完成后，圍巖吸水膨脹會發生進一步的變形。本節主要研究不同埋深下，膨脹巖吸水膨脹對TBM隧道圍巖變形產生的影響。選取模型中部，距離隧道口10m的斷面在不同工況下的圍巖變形，該斷面的圍巖變形隨飽和度變化曲線如圖2～圖5、表3所示。

表3 目標斷面膨脹前后不同工況的圍巖變形統計 cm

通過比較分析可知：

(1)在TBM掘進支護完成后，因為開挖擾動引起應力重分布使得圍巖發生一定的變形，變形最大發生在拱頂處的沉降，其次是仰拱的隆起，拱腰向內的水平收斂最小，且隧道圍巖變形都隨著埋深的增加而增加。

(a)膨脹前斷面豎向位移

(b)膨脹前斷面水平位移

(c)膨脹后斷面豎向位移

(d)膨脹后斷面水平位移圖2 工況1目標斷面圍巖變形云圖(單位:m)

圖3 拱頂沉降量變化曲線(單位：cm)

圖4 邊墻水平位移量變化曲線(單位：cm)

圖5 仰拱隆起量變化曲線(單位：cm)

(2)地下水滲流后，洞周圍巖吸水膨脹，產生膨脹變形，壓迫支護結構，使拱頂沉降量、仰拱隆起量都隨時間逐漸增加；隨著埋深的增加，拱頂沉降和仰拱隆起的改變量略微增加，差距并不明顯，說明因膨脹而產生的豎向變形可能受埋深的影響不大。圍巖膨脹變形在短時期內仍未達到穩定，說明這是一個長期過程，仍將繼續發生下去。

(3)膨脹過程中，圍巖的水平收斂值隨著時間的增加而逐漸減小；造成此現象的原因是，膨脹巖豎向滲透系數大于水平滲透系數，因此圍巖在豎向產生的膨脹變形大于水平的膨脹變形，因而膨脹巖對隧道拱頂和仰拱的膨脹力大于隧道兩側拱腰的膨脹力，使隧道兩側拱腰向外位移，從而圍巖水平收斂值隨膨脹的發生而減小。

3 結論

本文采用ABAQUS有限元軟件研究了埋深為50m、60m、70m、80m、100m，膨脹性泥巖的脹縮性對TBM隧道產生的影響，通過對隧道發生膨脹前后的圍巖變形、塑性區分布等進行比較分析，探明膨脹性泥巖TBM隧道開挖時圍巖膨脹動態的過程及失穩特征，可得出以下結論：

(1)通過對五種工況洞周圍巖變形分析可知，在膨脹巖中，TBM隧道掘進支護完成后，隨著埋深的增加，圍巖的變形和地下水滲流膨脹后引起的變形都是隨之增加的，且最大變形都發生在拱頂處。

(2)圍巖吸水膨脹后，拱頂沉降量、仰拱隆起量都隨時間逐漸增加；且隨著埋深的增加，圍巖變形的改變量都只略微增加，說明因膨脹而產生的變形可能受埋深的影響不大。

(3)圍巖膨脹而產生的變形在短時間內不會達到穩定，是一個長期的過程，設計和施工時應對膨脹產生的后續影響加以考慮；且因膨脹巖豎向滲透系數大于水平滲透系數，圍巖膨脹對隧道在豎向上影響更大。

(4)圍巖吸水膨脹會影響圍巖的穩定性，增大塑性區的分布范圍和深度，且隧道埋深越大，圍巖膨脹對洞周塑性區所造成的影響越大，最大塑性應變基本都分布在隧道拱腰兩側。