膨脹巖對隧道圍巖的影響分析

文/ 劉錦成

引言

膨脹巖是含有蒙脫石和伊利石等親水粘土礦物的巖體，具有吸水膨脹、失水收縮的性質，可往復脹縮變形，屬于軟巖范疇。

在含水率變化的影響下，這種含有親水礦物的巖石體積將會發生較大變化，因此膨脹巖具有遇水體積膨脹、巖體軟化崩解和失水收縮開裂等工程特性。

因膨脹巖遇水情況，引起的病害發生在我國很多運營和修建的隧道中，例如襯砌變形和開裂等。膨脹巖遇水變質，導致我國很多修建或是運營中的隧道出現補砌變形、開裂等現象。

諸多專家學者一直關注膨脹巖在隧道工程中的影響，郝中海等學者分析了陳家山隧道的膨脹巖施工，提出此類工程較合適的施工工序和在此過程中的注意要素。

符亞鵬結合工程實際，分析鐵路隧道在膨脹巖層中的病害概況以及隧道防排水設計、隧道斷面形狀等，針對仰拱提出提高強度、剛度，增大仰拱矢跨比等一系列優化措施。

周勇狄等學者綜合分析了大華嶺隧道膨脹巖等級判斷和在膨脹巖地段隧道的設計原則以及支護措施，并通過模擬結構設計和施工方案，表明可采用加固隧道拱腳支護、提高基底穩定性、采用高質量注漿材料進行注漿加固等方式來保障施工和運營過程中的隧道穩定性。

薛彥瑾等學者選取等效蒙脫石含量、陽離子交換量、自由膨脹率和液限為泥巖膨脹性判別指標,提出了泥巖膨脹等級分級標準,采用改進層次分析法、基尼系數法和直覺模糊理論確定了判別指標組合權重,基于逼近理想解排序法（TOPSIS法）建立了泥巖膨脹性直覺模糊綜合評價模型。

張宗堂等學者采取了某地區不同粒徑的膨脹巖巖樣，并采取室內浸水崩解試驗,推導了不同循環次數和不同初始粒徑的膨脹巖崩解分形維數計算公式。計算結果表明:分形維數隨著初始粒徑和循環次數的增加而增大。

本文以我國西北某隧道為工程依托，利用數值模擬手段，探究隧道圍巖在弱膨脹作用下不同膨脹范圍內的穩定性。

工程概況

我國西北部建設的某隧道，左右線全長約5km，隧道最大埋深400m，東部和南部因古老地層褶皺而隆起，形成山地地貌。北部因受地質沉陷和紅、黃土層沉積，形成黃土丘陵地貌。隧址區地層按其時代及成因分類，在勘察深度范圍內上覆地層為第四系全新統滑坡堆積（Q4del）黃土狀粉土，第四系上更新統風積（Q3eol）黃土，新近系（N）泥巖、泥質砂巖，下伏基巖為前寒武系牛頭河群（Pz1nt1）花崗片麻巖場地廣泛分布的第三系泥巖、砂質泥巖為易崩解的膨脹性巖。根據室內試驗成果，泥巖自由膨脹率(Fs)36～41%,陽離子交換量CEC(NH4+)174～209mmol/kg,蒙脫石含量(M)7.3～84,具弱膨脹性。

膨脹巖隧道受力特征有限元模擬

采用ABAQUS有限元軟件對隧道進行三臺階模擬開挖，并采用熱-應力耦合功能，實現隧道膨脹性圍巖在一定范圍內的膨脹。膨脹范圍內的圍巖狀態由干燥到膨脹，對應的溫度從0℃到20℃，弱膨脹性對應的溫度膨脹系數為1.0×10-4/℃。模型的邊界范圍：隧道頂部至上下邊界距離均為50m，隧道中軸線距左右邊界均為50m。隧道開挖高度為11.3m，跨度15.7m：初期支護為厚度27cm的C25噴射混凝土，架立I20a型工字鋼，鋼拱架間距為0.8m。根據膨脹范圍的不同設置四組工況，如表1所示。隧道橫斷面測點如圖1所示。

計算結果分析

圍巖變形分析

1.隧道開挖擾動引起應力重分布使得圍巖發生位移變形，在圍巖尚未發生膨脹前，豎直和水平方向的位移均處于較小水平，其中，拱頂沉降量和仰拱隆起量大于水平方向位移，水平方向拱腰處的收斂位移最大。

2.當隧道支護完成，圍巖發生膨脹變形，對支護結構產生進一步的壓迫作用，將導致各位置的變形量全部增大。在水平方向，拱腳處收斂位移量變化最大，不同膨脹范圍下約為拱腰和拱肩處位移變化量的2-4倍；在豎直方向，仰拱隆起變化量遠遠大于拱頂沉降變化量，原因是由于邊界條件的設置，隧道模型在膨脹荷載作用在發生整體向上位移，以至仰拱隆起變化量遠遠大于拱頂沉降，但隧道在豎直方向上仍呈現出向隧道中心收斂的趨勢，符合工程實際經驗。

3.如圖2所示，隨著圍巖膨脹范圍的增大，將引起圍巖變形量也隨之增大，水平方向最大收斂發生在拱腳處，而最大變形一直發生在拱頂處。

塑性區分析

1.隧道上臺階開挖支護完成后，圍巖塑性區主要分布在上臺階底板兩側，塑性區最大深度約為2m；中臺階開挖支護完成后，圍巖塑性區主要分布在中臺階墻角處和中臺階底板兩側，塑性區范圍約為上臺階的兩倍；在下臺階及仰拱開挖后，圍巖塑性區一直延伸至隧道拱腳處。由上分析，施工時要注意不同開挖部位連接處的支護強度，初次襯砌施工中要注意打設鎖腳錨桿的數量和質量，控制鋼拱架接頭板的強度等。

2.隧道開挖完成后，圍巖塑性區主要分布在隧道拱腳處，要注意隧道拱腳處的最不利位置發生破壞；隨著膨脹范圍的不斷增大，塑性區范圍向拱底方向略有延伸，塑性應變極值也隨之增加。因此在施工時應注意仰拱要盡早閉合，在必要時可增加仰拱處噴射混凝土的厚度。

結論

1.隧道開挖后，圍巖總體變形趨勢為：圍巖變形向隧道中心收斂，最大變形一直發生在隧道拱頂處。圍巖膨脹后，在水平方向上對拱腳的影響遠遠大于拱肩和拱腰；由于邊界條件的設置在豎直方向上仰拱隆起變化量遠遠大于拱頂沉降變化量。

2.在隧道開挖過程中，塑性區范圍一直出現在每個臺階部位的墻角處和底板的兩側，因此在隧道分布開挖過程中要注重不同開挖部位連接處的支護強度。

3.隨著隧道圍巖膨脹范圍的增大，因膨脹變形產生的膨脹壓力也不斷增大，導致圍巖破壞程度增大，造成隧道各測點的變形量均有增加，圍巖塑性區略有延伸，塑性應變極值也有所增加。