穿越富水斷層破碎帶隧道結構受力及變形特性試驗研究*

周慧文,王志紅,高聯斌,焦立群,王建偉

(山西黎霍高速公路有限公司,山西 長治 046000)

0 引言

目前,高速公路隧道在建設過程中面臨的水文、地質、氣象、地形地貌等條件越來越復雜,其不可避免地穿越斷層帶、圍巖破碎帶等不良地質條件［1-2］。由于斷層破碎帶為地下水提供了良好的下滲通道,隧道受地表強降雨、地表徑流、人工排水等影響,極易產生富水段,導致地下水匯集至隧道支護結構背后,誘發隧道產生突泥涌水、結構開裂、底板隆起、滲漏水等一系列地質災害,嚴重威脅隧道施工及運營安全［3-4］。

國內外學者針對穿越斷層富水帶隧道的研究主要集中在地質災害形成機理、設計施工優化處治技術研究方面［5-10］。吳金剛［5］依托石峽隧道穿越軟弱斷層破碎帶的工程背景,采用自進式管棚、加強初支、鎖腳錨管等手段對施工方案進行優化,提高隧道施工安全性;張付軍［6］依托武九高樓山公路隧道的工程背景,分析斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性的影響及各影響因素的敏感性,為隧道施工安全提供技術支撐;徐鋒［7］以鴻圖特長隧道為依托,采用數值模擬手段研究隧道穿越斷層破碎帶滲流場、位移場的耦合特征,并在此基礎上提出了施工優化措施;唐銳［8］結合折多山隧道穿越富水斷層破碎帶的現場工況,全面揭示其地質災害的形成機理,并提出了多重手段相結合的協同處治技術體系。然而,上述研究成果均針對某工程案例開展研究,其富水斷層破碎帶工況過于單一,未形成系統的研究成果。因此,本文結合太岳山特長隧道的富水斷層破碎帶工況,設計了多種富水工況,揭示隧道結構的受力及變形特性,以期為隧道施工及運營安全提供技術支撐。

1 工程概況

太岳山隧道為青蘭高速山西境內黎城至霍州段控制性工程,左右洞長度分別為11 135,11 160m,為雙向四車道分離式特長隧道,其設計時速為80km/h,隧道建筑限界寬度為10.25m,高度為5.0m,隧道正常段路面橫坡為2.0%,汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。太岳山隧道自東向西穿越太岳山主脊,其山體峰巒疊嶂,山勢險要,地形起伏較大,地表沖溝侵蝕發育,地貌復雜多變,隧道最大高差達到815.86m。該隧址區屬剝蝕中山起伏山區,其受地質構造影響嚴重,地表橫斷面呈V字形,溝底狹窄,水系密度為6～8條/km。隧道洞身段的主要圍巖為黑云角閃斜長片麻巖、石英巖,其風化裂隙較發育,巖體極破碎,巖芯多呈碎塊狀,局部為碎裂狀結構,且多種結構面發育。

受區域構造的控制,隧址區內斷層破碎帶、褶皺成為其最為發育的構造類型。根據現場地質勘探結果,隧址區斷層破碎帶呈張裂性破碎,其導水通道與地表水關系密切,且滲透系數較大,為地下水的下滲提供了良好通道,導致隧道在施工過程中涌水量較大,總體達到中等富水等級,局部隧道段達到強富水標準。該隧道在施工過程中多次穿越斷層破碎帶,其斷層帶兩側擠壓現象嚴重,伴隨有構造裂隙發育,斷層及構造裂隙的相互作用,導致局部圍巖極為破碎,嚴重影響隧道掌子面圍巖的整體穩定性(ZK142+228處掌子面斷層破碎帶,如圖1所示),易產生隧道結構大變形及圍巖塌方、掉塊危險,威脅隧道施工安全。部分隧道段地下水類型豐富,主要為巖體裂隙水,且由于斷層破碎帶為地表水下滲提供了通道,加之隧道開挖形成匯水廊道,導致巖體裂隙水受地表水的補給較為充分,且深層巖體內的裂隙水受到淺部斷層破碎帶裂隙水的補給,使得局部圍巖含水量較大,隧道多處產生涌水、滲漏現象(ZK142+350處掌子面線狀出水,如圖2所示)。

圖1 隧道掌子面斷層破碎帶情況Fig.1 The fault fracture zone of tunnel face

圖2 隧道掌子面線狀滲水Fig.2 The linear seepage of tunnel face

2 模型試驗設計

2.1 模型試驗系統

結合太岳山隧道富水斷層破碎帶的實際情況,本模型試驗重點在于模擬隧道圍巖裂隙水入滲、水位上升兩種富水工況下隧道結構的受力及變形規律。首先,在模型箱設計方面,本模型試驗的幾何相似比確定為CL=35,考慮隧道結構模型的尺寸及消除邊界效應影響的需求,模型箱尺寸最終確定為長度1.7m,高度1.6m,寬度0.86m。其次,本模型試驗系統主要由加載系統、加載板、底座、空心方鋼、有機玻璃板、閥門、滲水管等構成,其中模型箱兩側的有機玻璃板上布設有多組滲水孔,以滿足不同富水工況下滲水管的布設需求,具體情況如圖3所示。

圖3 隧道模型箱結構Fig.3 Tunnel model box structure

2.2 測試項目及測試方法

為全面分析穿越富水斷層破碎帶隧道結構的受力及變形特性,本模型試驗重點測試隧道襯砌結構彎矩、軸力及整體變形。隧道襯砌結構彎矩及軸力通過在襯砌模型拱頂、左右拱肩、左右邊墻、左右拱腳及仰拱部位的內外兩側分別布設電阻式應變片進行監測,測得應變值后,可根據襯砌模型材料的相關力學參數及截面尺寸計算出彎矩及軸力,其具體計算公式如下：

(1)

(2)

式中：M為彎矩;N為軸力;E為襯砌模型材料彈性模量;εi,εe分別為模型內外兩側的應變值;b,h分別為襯砌模型截面的寬度和高度。

為準確監測富水斷層破碎帶影響下的隧道結構整體變形,本模型試驗在模型箱外側做標記線,并用高清數碼相機對隧道襯砌結構進行全過程拍攝,獲取隧道變形的高清圖片,再采用GetData Graph圖像處理軟件提取關鍵點的變形數據。

2.3 試驗方案

太岳山隧道洞身段埋深較大,受多條斷層破碎帶的影響,地表水大量下滲,且受隔水層的影響,隧道基底部位圍巖含水量不斷增大,進而導致地下水位上升;同時,在隧道開挖卸荷作用的影響下,圍巖裂隙水逐步匯集到隧道襯砌背后,導致隧道周邊圍巖含水量不斷增大。因此,本模型試驗重點模擬隧道地下水上升及周邊裂隙水下滲兩種工況,并根據實際情況將各工況分成3個階段,通過布設滲水管以實現各狀態的精確模擬,具體情況如圖4所示(考慮到本圖為對稱結構,圖中僅顯示左半部分),具體參數如表1所示。

表1 隧道模擬工況具體參數Table 1 Specific parameters for tunnel simulation conditions

圖4 隧道模擬工況示意圖(單位：cm)Fig.4 Tunnel simulation working conditions(unit：cm)

2.4 試驗過程

本模型試驗在完成模型箱制作、相似材料配備、襯砌模型制備等準備工作基礎上,需開展以下6個操作步驟：①貼應變片 在襯砌模型內外兩側關鍵部位確定應變片粘貼位置,用砂紙將表面打磨平整,再用502膠水將其粘貼牢固;②畫刻度線 在隧道模型PVC板外側用水彩筆畫出網格線刻度線,其間距為5cm×5cm;③分層填土并夯實 將圍巖相似材料分層填筑至模型箱內部,每層厚度不超過10cm,用橡膠錘夯實;④預埋隧道模型 待相似材料填筑到適當高度時,放置隧道模型,繼續填筑相似材料并夯實;⑤布設滲水管 在隧道模型兩側對稱布設滲水管,根據不同滲水階段布設相應的滲水管,從而通過閥門準確控制富水狀態;⑥系統調試 將應變片引線連接至靜態數據采集儀,采集3次數據取平均值作為初始值,在模型正前方架設高清相機,實時采集模型整體變形圖片,其具體試驗步驟如圖5所示。

圖5 隧道模型試驗主要步驟Fig.5 Main steps of tunnel model test

3 試驗結果及分析

3.1 彎矩及軸力結果分析

利用上述模型試驗系統,模擬分析穿越富水斷層破碎帶工況下的受力及變形規律,并利用數據采集系統每隔1min讀取一次數據,試驗整個過程持續4h,根據測得的隧道襯砌模型應變值,經計算所得彎矩及軸力曲線如圖6,7所示。

圖6 隧道襯砌彎矩變化曲線Fig.6 Tunnel lining bending moment variation curve

從圖6中可以看出,隨著隧道周邊巖體裂隙水的不斷入滲,隧道襯砌彎矩值普遍增大,尤其是測點2,3處的彎矩值增幅較大,其在裂隙水入滲第3階段增大幅度分別達到了42%,24%,最大彎矩值出現在測點2處,其值為22.3kN·m。而隨著地下水位的不斷上升,除測點2,3處彎矩值小幅波動外,其余彎矩值均明顯下降,尤其是測點8在地下水上升第3階段出現負彎矩值。原因在于斷層破碎圍巖在地下水影響下強度大幅衰減,弱化隧道仰拱部位與圍巖相互作用,而隧道襯砌左右兩側邊墻及拱腳部位在周邊裂隙水入滲后壓力增大,導致仰拱部位受力呈現出“扁擔狀”,即仰拱中間部位正彎矩減小并出現負彎矩。

從圖7中可以看出,隧道襯砌軸力均為負值,即襯砌結構處于受壓狀態,且隨著周邊裂隙水的不斷入滲,軸力值普遍增大,尤其是仰拱部位的測點6～8處的軸力值增加幅度較大,其最大增幅達到34%。在地下水位上升過程中,各測點的軸力變化趨勢不同,測點4,5處的軸力值逐步減小,而其余測點處軸力值大幅增加。原因在于隨著周邊裂隙水的入滲及地下水位的上升,隧道襯砌結構應力產生重分布,導致軸力分布極不均衡,嚴重影響隧道結構整體穩定性。

圖7 隧道襯砌軸力變化曲線Fig.7 Tunnel lining axial force variation curve

3.2 整體變形結果分析

在模型試驗開展過程中,采用高清相機每隔1min獲取1張隧道襯砌結構整體變形的圖片,結合PVC板外側刻度線,采用專業圖像處理軟件提取襯砌結構關鍵位置處的變形數據,所得變形曲線結果如圖8所示,其變形實際情況如圖9所示。

圖8 隧道襯砌整體變形分布Fig.8 Distribution of overall deformation of tunnel lining

圖9 隧道模型襯砌變形情況Fig.9 Deformation of tunnel model lining

從圖8中可以看出,受周邊裂隙水入滲及地下水位上升的影響,隧道襯砌整體產生了較大變形,其最大位移值產生在測點1處,即隧道襯砌拱頂部位向上隆起6.4mm;而測點4,5處產生了向內的位移,最大值為4.1mm。可見,隧道受地下水影響下拱部承受剪切變形,并伴隨發生有開裂、掉塊現象,具體情況如圖9所示。對于仰拱部位而言,其受周邊裂隙水入滲的影響下產生向下的位移量,最大值達到3.1mm,而隨著地下水位的上升,其位移值逐漸轉變為向上的位移,并產生了底板隆起病害。此原因在于地下水位的上升導致隧道基底處圍巖強度大幅衰減,其承載力嚴重不足,且拱腳部位應力增加,使得仰拱部位應力分布不均衡,誘發底板隆起病害的產生。

4 結語

基于室內模型試驗的測試結果,本文初步分析了穿越富水斷層破碎帶隧道面臨的周邊裂隙水入滲、地下水位上升工況下隧道襯砌結構彎矩、軸力及整體變形規律,得到以下結論。

1)受周邊裂隙水入滲及地下水位上升因素的影響,斷層破碎帶圍巖強度大幅衰減,襯砌仰拱與圍巖相互作用減弱,但隧道左右邊墻及拱腳部位在地下水入滲后壓力增大,使得仰拱部位受力呈“扁擔狀”,襯砌整體彎矩分布不均衡。

2)在周邊裂隙水入滲過程中,隧道襯砌軸力均為壓應力,其仰拱部位軸力明顯增加,其最大增幅達34%;而隨著地下水位的上升,隧道襯砌應力產生重分布,導致軸力分布極不均衡,嚴重影響隧道結構整體穩定性。

3)根據隧道襯砌整體變形的試驗結果,隧道襯砌受地下水影響下其拱部承受剪切變形,并伴隨有開裂掉塊現象,而由于地下水導致隧道基底部位圍巖強度大幅衰減,承載力降低,誘發底板隆起病害的發生。