基于荷載結構法的隧道微膨脹性圍巖二次襯砌受力安全性研究

劉大雙，趙海霖

(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)

膨脹性巖土是一種特殊巖體，含有大量親水礦物，且對溫度變化十分敏感，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],長期持續性體積形變所導致的累計變形量對隧道襯砌結構危害明顯，已成為隧道施工建設的重要隱患。因此，對膨脹性圍巖隧道開挖后支護結構的受力進行研究，對隧道工程具有重要的實際意義。

在膨脹巖地層中開挖隧道時,圍巖受到擾動,富水地層的地下水通過裂隙流到襯砌背后,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]。較早提出土體膨脹對隧道影響問題的是Wiesmann[5]，研究了瑞士Hauenstein隧道由于膨脹土的膨脹引起的隧道變形等問題;Anagnostou[6]將膨脹巖土作為彈塑性材料，并采用水力學耦合分析，模擬了膨脹土地層的膨脹對隧道的影響。張志強、關寶樹等根據現場試驗和工程實例的統計，針對膨脹性圍巖段公路隧道施工的不穩定性進行了分析[7]；李化云等基于彈性力學及疊加原理，推導了隧道支護結構徑向壓力及位移的膨脹壓力解析解[8]；劉佳星分析了荷載結構法和地層結構法兩種隧道襯砌結構的計算方法，并采用地層結構法建立數值模型，分析膨脹土地層隧道結構受力[9]；吳順川等基于Noorany修正膨脹本構建立數值計算模型，采用FLAC軟件對隧道二次襯砌的力學狀態進行了模擬分析[10]；滕飛通過對淺埋大跨膨脹土隧道——呈貢隧道的現場監測分析，總結了二次襯砌應力發展和洞身變形規律，結合數值分析，得出位移—時間曲線，確定了二次支護的最佳時機[11]；潘澤球，李宏哲，程曙光等對膨脹巖段的隧道采用分層支護的方法，通過現場試驗確定了二次襯砌的最佳施作時間[12-14]。張天寶等針對馬嶺頭隧道因膨脹性土體導致襯砌開裂，結合數值計算分析了二襯軸力和彎矩變化，給出了相應的整治意見[15]；趙峰等依托大華嶺特長隧道應用彈塑性模型對膨脹巖隧道支護結構進行了數值模擬計算，確定了二次襯砌應力的安全范圍[16]。

以上研究側重于概述膨脹巖對隧道的影響或多為研究強膨脹巖下隧道二次襯砌受力情況。本文基于荷載結構法結合ANSYS數值分析方法，對深埋隧道的微膨脹性圍巖二次襯砌受力做了研究，評估二次襯砌結構內部受力安全性，進而實現隧道二次襯砌結構的改進與優化。

1 工程概況

某隧道為山西省內鐵路雙洞單線隧道(既有線隧道)，線間距30 m。隧道斷面分為底板型與仰拱型。邊墻襯砌厚度為30～40 cm，底板厚度為30 cm，仰拱厚度為30～45 cm。結構凈寬5.25 m，凈高7.21 m。隧道縱向裂縫發育，經全斷面掃描局部拱頂存在下沉掉塊，水溝水平擠壓現象明顯，病害嚴重段靠近斷層、向斜、采空區等特殊地質構造，地下水補給條件較好，自貫通以來病害發展也是集中在斷層、向斜等地下水發育部位。但同時病害又在多種地層中出現，包括灰巖、泥灰巖和膏溶角礫巖等，隧道穿越的含石膏地層，既不是典型的石膏巖，也達不到強膨脹巖、極軟巖或強腐蝕巖的判定標準，不存在大范圍的高壓地下水條件。在設計支護階段，未考慮膨脹壓力的影響，通過對該既有線隧道病害段進行監測斷面點位布設，數據采集及分析，發現圍巖具有微膨脹性，會產生膨脹壓力，影響支護結構受力，因此，通過數值模擬計算來校核該設計支護參數下二次襯砌的安全性是極其有必要的。

2 基于荷載結構法的有限元解法

2.1 荷載結構法

荷載結構法將圍巖對結構的作用簡化為荷載作用于結構上進行計算。采用荷載結構法的數值計算基本假定如下:

(1)將隧道襯砌結構計算視為平面應變問題進行分析。

(2)假定襯砌為小變形彈性梁，襯砌為足夠多個離散直梁單元。

(3)用彈簧單元模擬圍巖和結構的相互作用，彈簧單元只能承受壓力，不承受拉力。

(4)按照局部變形理論確定彈性抗力。

2.2 有限元數值解法

建立有限元模型。襯砌采用梁單元Beam3進行模擬，地層圍巖采用彈簧單元Combin14進行[17],在模型仰拱中部添加水平位移約束，圍巖壓力通過轉化為節點力形式進行施加，膨脹壓力通過Pressure施加，考慮結構重力，重力加速度取9.81 m/s2,模擬工況時計算模型如圖1、圖2所示。

(a)劃分單元施加重力與環向膨脹力

(b)疊加圍巖壓力并設置地層彈簧

(a)劃分單元施加重力與邊墻膨脹力

(b)疊加圍巖壓力并設置地層彈簧

襯砌結構承受主動垂直線性荷載和水平線性荷載，計算時將其轉換為節點荷載。假設單元i、j受力如圖3所示荷載作用，則節點i和節點j的等效節點荷載可分別由如下的荷載陣列求出。

圖3 單元i、j受力圖示

(1)

(2)

求解有限元模型。先進行初步求解，通過后處理程序查看圍巖壓力受力情況。通過結構荷載法，考慮全環施加和邊墻局部施加膨脹力，計算圍巖壓力，最后通過所得彎矩軸力計算安全系數進行分析。

3 二次襯砌內力計算

3.1 計算參數

襯砌及鋼筋參數，均依據鐵路設計規范圍巖指標參數取值，二襯鋼筋φ20 mm，型號HRB400，鋼筋間距20 cm×20 cm主筋保護層厚度5 cm,混凝土C40,厚度40 cm。圍巖參數見表1，襯砌強度取彎曲抗壓極限強度36.9 MPa，鋼筋極限強度取屈服強度400 MPa。

圖4 圍巖斷面示意(單位:cm)

3.2 圍巖壓力計算

在計算深埋隧道荷載時，規范[18]規定，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平均布壓力分別根據下式確定：

q=0.45×2s-1rω

(3)

ω=1+i(B-5)

(4)

p=λq

(5)

式中：q為垂直均布壓力；γ為圍巖重度；s為圍巖級別；ω為寬度影響系數；B為隧道跨度；i為B每增減1 m時的圍巖壓力增減率，當B<5 m時，取i=0.2，當B>5 m時，取i=0.1；λ為地層側壓力系數，對V級圍巖取λ=0.3～0.5。

表1 圍巖參數

3.3 巖石膨脹性試驗結果

現場進行轉孔取芯，進行巖石膨脹性試驗，得到如表2實驗結果。

表2 含石膏脈泥灰巖膨脹性實驗成果

3.4 計算結果與分析

根據TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》計算，圍巖受力安全系數大于2.4屬于安全。

3.4.1 工況一

IV級圍巖全環膨脹壓力見表3、圖5。

表3 IV級圍巖全環膨脹受力情況

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

3.4.2 工況二

V級圍巖全環膨脹壓力見表4、圖6。

表4 V級圍巖全環膨脹受力情況

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

(b)二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

3.4.3 工況三

IV級圍巖邊墻局部膨脹壓力見表5、圖7。

表5 IV級圍巖邊墻局部膨脹受力情況

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

(b)二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

3.4.4 工況四

V級圍巖邊墻局部膨脹壓力見表6、圖8。

表6 V級圍巖邊墻局部膨脹受力情況

通過進行分析比較可知：

(1)圍巖承受全環膨脹壓力作用時，受力最不利位置處于拱腳，承受邊墻局部膨脹壓力時，受力最不利位置處于邊墻。

(2)V級圍巖邊墻局部膨脹能承受的最大膨脹力只有260 kPa，與膨脹性試驗表里最大膨脹力253 kPa極其接近，說明安全儲備是不足的。

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

(b)二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

(3)在同一圍巖級別，相同膨脹壓力水平下，邊墻局部受力計算得到的安全系數更低，說明邊墻局部膨脹壓力危害性更大。

4 結論與展望

本文利用有限元軟件ANSYS研究了基于荷載結構法的微膨脹性圍巖深埋隧道的二次襯砌受力情況，通過模擬計算不同圍巖級別，不同膨脹壓力水平下二次襯砌彎矩軸力，計算出安全系數判斷結構受力安全性，結合膨脹性試驗結果分析二次襯砌受力的安全性，得出如下結論：

(1)對于當前隧道斷面，邊墻局部膨脹的危害性比全環膨脹更大。同樣圍巖級別及支護參數，同樣的膨脹壓力水平下，邊墻局部膨脹計算得到的安全系數更低。

(2)為了改善結構受力，建議適當增大隧道邊墻與仰拱曲率。

(3)不是所有情況都需要對支護進行加強，V級圍巖邊墻局部膨脹能承受的膨脹力只有260 kPa，但膨脹力試驗表里最大膨脹力為253 kPa，兩者很接近，安全儲備不夠，建議對邊墻局部加強。

(4)膨脹力的發展一方面也是由于地下水的作用，應加強隧道防排水設計與施工，對膨脹性巖體富集段可采用徑向注漿加固與止水。

本文在計算圍巖壓力只考慮了在重力主導下的松散圍巖壓力，未考慮圍巖壓力中的形變壓力部分，構造壓力等，將來這些應作為主要的研究方向。此外，如果隧道在高地應力環境下進行開挖，則建議采用地層-結構法進行計算分析。