黃土隧道圍巖局部浸水靜力特征分析

王少雄, 曹小平, 王建華

(蘭州交通大學土木工程學院, 蘭州 730070)

濕陷性黃土具有孔隙大、水敏性強等物理性質,這種低壓縮性的黃土一旦浸水濕陷后,其強度會大幅度下降,產生很大變形。近年來西部的交通基礎建設進展的突飛猛進:諸如已經建成通車的蘭新客運專線、銀西高鐵以及北京至拉薩高速(G6)等國家高速公路線路和黃土地區部分在建高速公路等。在以上這些交通線路中有相當數量的隧道穿越黃土地區。隨著中國黃土隧道日益增多,途經黃土高原區的線路越來越多。由于黃土土質疏松,一方面在隧道開挖施工過程中易變形形成塌方;另一方面隧道運營期間當圍巖浸水時易產生濕陷變形。同時,隧道地基的濕陷變形與不均勻沉降會對隧道結構產生很大程度破壞[1]。除了地表水入滲和水位上升,還有未做好防排水措施等方面,例如強降雨條件下使得基坑積水由滲水通道流到隧道周圍地層,導致隧道周圍土體濕陷,對隧道的穩定與安全造成威脅[2-3]。黃土地層的濕陷變形已成為當前黃土地區工程建設中急需解決的問題。

關于黃土隧道浸水濕陷產生的危害,大量的學者展開了研究。李駿[4]通過大型浸水試驗揭示了實際工程中隧道地層濕陷發生的水-力條件與襯砌結構的破壞特點和受力特征,結合數值模擬提出了濕陷性黃土的圍巖壓力計算方法和濕陷系數與基床系數的關系。劉騰等[5]利用理論解析法與數值模擬方法對不排水條件下的富水黏土地層盾構隧道的開挖面穩定性開展研究,推導了已有的適用于不排水分析的開挖面主動破壞模式,由黏土不排水離心試驗得到破壞區域范圍,進而對極限支護力進行修正。劉德安等[6]基于富水泥巖隧道大斷面隧道,采用離散元方法分析了開挖面失穩過程及前方圍巖變形破壞特征,并且提出超前帷幕注漿結合超前管棚的預加固措施。來弘鵬等[7]利用模型試驗和有限元軟件,研究了強降雨條件下隧道襯砌結構在圍巖浸水后的變化特征,認為水分通過地表裂縫入滲使得隧道襯砌劣化并在隧道拱部和邊墻部位產生裂縫。但是對于局部浸水條件下黃土隧道運營期間的安全與穩定性研究相對較少,故研究黃土地層圍巖局部浸水濕陷對隧道結構的濕陷危害防治具有重要意義。

目前,關于黃土濕陷的數值模擬尚無明確的本構模型,沒有合適的方法來模擬黃土的濕陷過程。蔣明鏡等[8]使用離散元方法對結構性黃土進行研究,分析了加載和浸水過程中結構的損傷變量。但最終沒有得到結構性黃土膠結顆粒之間的規律。根據相關資料,土體濕陷會使得土體強度下降,針對數值模擬軟件改變三大強度指標:彈性模量E,黏聚力c,摩擦角φ來模擬土體浸水后的特性。在巖土工程中主要通過改變黏聚力c和摩擦角φ來分析基坑和邊坡的穩定性,修正土體的彈性模量來研究土體的變形。Dong等[9]通過一種“密模修正法”修正土體密度和彈性模量,模擬黃土浸水濕陷變形,并且驗證了該方法的可行性。穆曉虎[10]選取彈性模量折減系數為0.3時數值模擬的結果與實測值比較接近。

現依托定西市錦屏隧道,使用Midas/GTS建立計算模型,對正常開挖和浸水兩種工況進行數值模擬計算,研究局部浸水條件下黃土隧道襯砌及圍巖的變形規律與應力特征。

1 工程概況

擬建隧道位于定西市通渭縣,該隧道位于黃土梁昴區,地勢西南高東北低。隧道右線起訖樁號YK14+960～YK16+416,長1 456 m,左線起訖樁號ZK14+913～ZK16+389,長1 476 m,隧道最大埋深約111.5 m。隧址區最高海拔2 140 m,最低海拔2 010 m,相對高差130 m。上部為風積黃土,淺黃色,稍濕,稍密,土質均勻,孔隙發育。隧道洞身主要為新近系泥巖,是隧道洞身通過的主要地層。

2 計算參數與有限元模型建立

2.1 計算參數

根據相關資料,濕陷性黃土浸水土體重度會增大,為了在軟件中模擬土體重度增大的效果,饒偉[11]在浸水濕陷區域施加了體力荷載。為了簡化計算,采用土體飽和重度來模擬重度增加的效果。圍巖土體物理力學參數如表1所示。

表1 材料物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

2.2 有限元模型

使用Midas/GTS建立三維隧道模型,開挖前隧道與圍巖整體模型如圖1所示。隧道開挖方法為中隔壁法(center diaphragm,CD),模型水平方向取90 m,豎直方向取60 m,縱向開挖長度取 20 m。模型包括圍巖,二襯,初支,錨桿四部分。其中初期支護厚度26 cm,選用直徑為22 mm的錨桿;圍巖采用摩爾-庫倫本構模型,隧道導坑與二襯為三維實體單元,采用各向同性彈性本構模型;初級支護為板單元,采用植入式桁架單元模擬錨桿,上部分黃土劃分為規則六面體單元,總體模型共劃分了25 314個單元。隧道模型四周設置位移約束,通過施加自重荷載來模擬土體的自重,使用的計算模型選取0.3作為彈性模量的折減系數。

圖1 圍巖整體模型Fig.1 Overall model of surrounding rock

該計算模型考慮浸水范圍為隧道上部土體和拱頂到拱肩位置的圍巖浸水。隧道有限元模型如圖2所示。

圖2 隧道有限元模型Fig 2. Finite element model of tunnel

隧道施工步序:左上導坑開挖→作初支,臨時支撐,打錨桿→左下導坑開挖→作初支,打錨桿→右上導坑開挖→作初支,打錨桿→右下導坑開挖→作初支,打錨桿→完成二襯。

3 計算結果與分析

計算結果主要針對圍巖與襯砌變形與應力進行分析,隧道特征點1～6布設結果如圖3所示。

圖3 特征點布設位置Fig.3 Location of feature points

3.1 圍巖位移分析

通過Midas/GTS計算的結果,得到各施工步豎向位移云圖如圖4所示,觀察其位移變化規律。選取拱頂、拱腰、仰拱等特征點,分析沉降量隨著開挖進程的變化特征。

圖4 開挖各施工步下豎向位移Fig.4 Vertical displacement under each excavation step

根據錦屏隧道設計圖及類似工程支護參數,計算模型支護結構參數如表2所示。

表2 支護結構參數Table 2 Supporting structure parameters

由豎向位移圖(圖4)可知,隧道開挖后黃土圍巖拱頂處產生最大沉降,最大值為9.60 mm,開挖后在洞室仰拱處產生隆起變形,最大豎向變形為10.9 mm。隨著開挖進程,拱頂節點的沉降快速增加。開挖第5步,拱頂沉降為4.21 mm;開挖第10步后,拱頂沉降為6.73 mm;相比第5步,沉降增加了59%。可以看出在第10步之后,拱頂沉降增加得比較緩慢。

圖5為黃土隧道圍巖局部浸水后,4種工況下的圍巖豎向位移云圖。

圖5 浸水后各施工步下豎向位移Fig.5 Vertical displacement under each construction step after flooding

根據上述豎向位移圖,浸水條件下開挖第10步后,隧道洞室拱頂沉降達到了8.47 mm,比正常開挖狀態下沉降量增加了25%。拱底豎向位移也增加到12.49 mm,相比浸水前增加了3.71 mm。

隧道開挖與浸水后洞室內各特征點的豎向變形如表3所示。

表3 隧道內特征點豎向變形Table 3 Vertical deformation of feature points in tunnels

圍巖浸水后隧道也在拱頂位置出現最大沉降,沉降為13.18 mm;比浸水前增加了3.58 mm。局部浸水后隧道拱底處產生隆起變形,最大變形為14.69 mm。浸水后拱肩的沉降顯著增加,沉降大約增加了1.8 mm。同時,圍巖局部浸水后。洞室拱腰位置變形很小,符合黃土隧道對沉降的要求。

3.2 地表沉降分析

隧道開挖引起的地表沉降曲線如圖6所示,地表沉降和沉降槽的寬度受圍巖土體物理力學性質,開挖斷面形狀等條件的影響。從圖6中可以得到開挖后沉降槽大致寬40 m,圍巖局部浸水濕陷對沉降槽的寬度幾乎不產生影響。沉降與距隧道中線距離呈拋物線分布,地表最大沉降出現在隧道正上方,開挖后最大沉降為4.01 mm,浸水濕陷后地表的最大沉降為5.66 mm。與此同時,在浸水后地表以下10 m處沉降槽寬度比地表處大,沉降也增大到9.18 mm,大約為地表處的1.6倍。可以看出局部浸水后黃土圍巖產生了較大變形。

圖6 地表沉降曲線Fig.6 Surface settlement curve

3.3 圍巖應力分析

隧道開挖后,洞室周圍的主應力方向會改變,還會發生應力集中的現象。隧道模型開挖與浸水濕陷后圍巖產生的最大應力如圖7和圖8所示。

圖7 開挖后最大主應力圖Fig.7 Maximum principal stress force diagram after excavation

圖8 浸水后最大主應力圖Fig.8 Maximum principal stress force diagram after immersion

由圖7可以看出,隧道開挖后在拱頂與仰拱處出現最大主應力, 開挖后的最大主應力為59 kPa。沿著隧道中線兩側主應力對稱分布,隧道洞室主應力在拱頂與仰拱左右側呈V字形分布,數值逐漸降低。

根據以上應力云圖得到,浸水后在相同位置出現最大主應力。黃土隧道圍巖局部浸水后最大主應力為89 kPa,比浸水前增大了50%。隧道洞室主應力也在拱頂與仰拱左右側呈V字形分布,數值逐漸降低。在浸水區域內,浸水濕陷后的最大主應力小于開挖后的主應力。這是因為低壓縮性黃土在自然濕度條件下一旦浸水其強度會下降很多,產生較大變形。

3.4 支護結構受力分析

隧道開挖完后要進行支護,開挖完下面分析開挖與浸水后初級支護結構的內力。初級襯砌的內力圖如圖9所示。

圖9 襯砌結構內力Fig.9 Internal Forces of lining structure

結果顯示,隧道開挖后襯砌最大彎矩集中在拱頂處,最大彎矩為11.1 kN·m。占比最大的彎矩區間為0～-31.6 kN·m。圍巖浸水濕陷后襯砌也在拱頂處出現最大彎矩,最大彎矩28.5 kN·m。比開挖后增加了17.4 kN·m。可以看出黃土圍巖局部浸水后襯砌內力顯著增大,仰拱中部產生正彎矩,墻腳處產生較大負彎矩。

支護結構除了初級襯砌還有錨桿,圖10為浸水后錨桿軸力云圖。可以看出,隧道開挖完后,錨桿在洞室中大部分承受拉力,錨桿承受的最大拉力為40.0 kN。浸水后錨桿最大軸力為40.6 kN,由于初級支護比較厚,所以圍巖浸水濕陷后對于錨桿的軸力沒有太大影響。

圖10 浸水后錨桿軸力圖Fig.10 Shaft diagram of post-submerged anchor shaft

該模型中襯砌采用C25混凝土,根據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)得到,其軸心抗壓設計強度為11.9 MPa,軸心抗拉設計強度1.27 MPa。提取開挖與浸水后襯砌最大主應力與最小主應力云圖,如圖11和圖12所示。

圖11 開挖后襯砌應力Fig.11 Lining Stress after excavation

圖12 浸水后襯砌應力Fig.12 Lining stress after flooding

由上述結果顯示,正常開挖后占比最大的主應力區間為0～-6.81 MPa,占比為15.1%,浸水后占比最大的主應力區間是0～-2.94 MPa。可以看出,隧道襯砌主要承受壓應力。開挖后襯砌結構最大壓應力出現在兩側拱腳處,應力為4.15 MPa。最大拉應力主要集中在拱肩位置,最大值為1.91 MPa。圍巖浸水后襯砌結構最大壓應力為5.06 MPa,最大拉應力為2.08 MPa。在圍巖浸水后,最大壓應力為設計強度的42%。最大拉應力超過了抗拉設計強度,可以通過加強支護來使其滿足要求,例如加超前小導管或者鋼架。

綜上所述,圍巖局部浸水后其強度降低,致使黃土圍巖逐漸失去承載力,相比正常開挖后,浸水后隧道上方圍巖土體重度增大作為荷載作用到襯砌結構,使隧道結構變形和受力發生變化,對隧道運營期間的安全和穩定造成一定影響。

4 結論

(1)圍巖浸水后,隧道上方土體與襯砌整體出現沉降,相比正常施工完后,拱頂的最大沉降值為13.18 mm,相比開挖后增加了3.58 mm。地表最大沉降量出現在隧道正上方,地表沉降槽大約寬40 m,其寬度在圍巖浸水后幾乎不變化。浸水濕陷后地表的最大沉降量為5.66 mm。

(2)黃土隧道在開挖與浸水濕陷后,圍巖的最大主應力主要集中在仰拱位置,開挖后最大主應力為59 kPa,浸水后,最大主應力達到89 kPa。相比開挖后,增大了50%。

(3)圍巖浸水后襯砌在拱頂處產生最大彎矩,最大彎矩為28.5 kN·m,比開挖前增大了17.1 kN·m。浸水后襯砌結構內力顯著增加。開挖后襯砌結構最大壓應力為4.14 MPa,最大拉應力為1.9 MPa,圍巖浸水后襯砌最大壓應力為5.06 MPa,最大拉應力為2.08 MPa。最大壓應力為設計強度的42%,最大拉應力超過抗拉設計強度。