膨脹巖地區隧道圍巖力學性能及變形規律研究

蒙曉新 張凱

作者簡介：蒙曉新（1983—），工程師，主要從事交通基礎設施施工建設管理、項目投資運營管理等工作。

為研究膨脹巖地區隧道圍巖力學性能及破壞模式，文章依托某高速公路隧道實際工程，通過室內巖石力學試驗分析了膨脹巖的力學特性和膨脹特性，然后通過FLAC3D軟件對該隧道進行建模與計算，分析膨脹性圍巖對隧道變形的影響規律，得到如下結論：（1）膨脹巖試樣在三軸壓縮條件下的應力-應變曲線主要經歷了彈性、屈服和破壞三個階段，三軸抗壓強度隨著圍壓的增大而增大；（2）試樣初始含水率較低時，其膨脹系數更大，前期變形速率更快，進入變形減速階段的時間更晚，達到平衡狀態所需的時間更長，最終的膨脹系數數值更大；（3）膨脹性圍巖的膨脹作用對隧道拱底隆起變形的影響最大，圍巖變形程度隨圍巖初始含水率增大而逐漸減小，圍巖的初始含水率＜15%時，圍巖的變形程度較大，在進行支護時應重點考慮膨脹圍巖膨脹力的影響。

膨脹巖隧道；力學性能；圍巖變形規律；數值計算；FLAC3D軟件

U456.3+1A381344

0?引言

隨著我國經濟的快速發展和交通強國戰略的不斷推進，我國現已成為世界上隧道數量最多、規模最大、范圍最廣、工程條件最復雜、發展最迅速的國家［1］。由于我國西南地區山區面積大，地質情況復雜，在建設隧道的過程中往往需要穿越諸多不良地質區域，如軟弱圍巖、膨脹圍巖、富水地層等，隧道的施工安全面臨巨大挑戰。在膨脹巖地區開挖隧道時，圍巖卸荷及膨脹作用導致的應力重分布會使隧道結構產生劇烈擠壓，隧道圍巖的膨脹和收縮會加劇隧道內部的滲水和襯砌剝落等現象，對于隧道的建設產生極大危害。對于膨脹巖的力學特性以及穿越膨脹巖地層的隧道圍巖穩定性的研究已有了較多成果。王軍等［2］對不同含水率的紅砂巖進行了室內直剪試驗，得到了膨脹巖的粘聚力和內摩擦角與含水率之間的對數關系。趙二平等［3］對南水北調中線工程的膨脹巖開展三軸循環加卸荷試驗，試驗結果發現可用負指數函數來表征膨脹巖的應變增加量與循環次數之間的關系。曾志雄等［4］對不同初始含水率的延吉膨脹巖壓實試樣開展了3種水力路徑的一維壓縮試驗，研究了不同水力路徑下的膨脹巖變形特性。郭永春等［5］研制了膨脹巖三軸膨脹力的測試裝置，通過先放試樣后施加約束的試驗方式克服了巖石與容器壁有釋放變形空隙的局限性，解決了現有規范中對膨脹巖的膨脹力測試結果偏小的問題。楊軍平等［6］利用南寧地區的膨脹土進行了膨脹圍巖的隧道物理模型，并對模型進行了五次干濕循環，研究了干濕循環條件下膨脹圍巖的脹縮演變規律，分析了干濕循環作用對膨脹圍巖的劣化作用。趙凡等［7］依托某穿越石膏質巖地層的隧道實際工程，基于隧道典型斷面病害的監測數據，利用FINAL軟件對圍巖的膨脹參數反演，發現隧道圍巖的最大膨脹半徑與膨脹系數為正相關的關系。曾仲毅等［8］推導出熱傳導膨脹模擬膨脹巖增濕膨脹的替代方程，利用FLAC 3D軟件的熱-力耦合模塊對某膨脹圍巖隧道進行數值仿真分析，得出支護結構的受力變形特性隨含水率及膨脹力的變化規律。

本文依托某膨脹性圍巖地區的高速公路隧道實際工程，通過室內巖石力學試驗分析了膨脹巖的力學特性和膨脹特性，然后通過FLAC 3D軟件對該隧道進行建模與計算，分析膨脹性圍巖對隧道變形的影響規律。

1?膨脹巖力學特性試驗研究

1.1?工程概況

本文依托某高速公路隧道實際工程，對膨脹巖的力學特性及膨脹巖地區隧道圍巖的變形規律進行研究。隧道全長2 505 m，所處的地貌類型為中低山區，最大埋深約為94.3 m，隧道圍巖的巖性主要是塊狀構造的弱風化安山巖，巖體完整，節理裂隙不發育，因此在勘察階段判定其為Ⅱ級圍巖，通過全斷面法進行隧道開挖。但在施工過程中發現部分開挖段出現局部初期支護噴射混凝土開裂和滲水現象，進一步調查發現隧道穿越安山巖和凝灰質礫巖的接觸帶，接觸帶位置處的圍巖較為破碎且巖性混雜，通過現場膨脹性試驗結果判定接觸帶位置處的圍巖具有弱膨脹性，屬于膨脹性巖體。

1.2?膨脹巖三軸壓縮試驗

由于已有研究發現，原狀膨脹巖的物理力學性質與實驗室制得的重塑膨脹巖間存在較大區別，因此本試驗通過對原狀膨脹巖巖塊進行鉆孔取芯和切割機切割的方法得到高度100 mm，直徑為50 mm的標準試樣。試驗設備采用高溫高壓巖石三軸儀，分別在圍壓σ3=2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa條件下進行三軸壓縮試驗。

對膨脹巖的三軸壓縮試驗結果進行分析，得到不同圍壓條件下三軸壓縮試驗的應力-應變曲線，如圖1所示。試樣在三軸壓縮條件下的應力-應變曲線主要經歷了3個階段：第一個階段為彈性階段，應力-應變曲線基本為一條直線，即在該階段應力和應變之間為正比關系；第二個階段為屈服階段，試樣內部的裂隙數量逐漸增加，隨著應力的增大，應變增大的速率開始增大；第三個階段為破壞階段，試樣內部的裂隙互相貫通，發生剪切破壞，此時應力達到峰值并出現明顯下降，但仍具有一定的殘余強度。膨脹巖的三軸抗壓強度隨著圍壓的增大而增大，當圍壓分別為2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa時，試樣三軸抗壓強度值分別為25.8 MPa、29.1 MPa、35.5 MPa，即圍壓由2.0 MPa增大至4.0 MPa，試樣三軸壓縮抗壓強度相對于圍壓為2 MPa時分別增大了12.8%（3 MPa）和37.6%（4 MPa）。

根據《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266-201）中提供的計算巖石各力學參數的方法計算巖石的彈性模量、泊松比、粘聚力和內摩擦角，如表1所示。

1.3?側向約束無荷膨脹率試驗

巖石的側向約束膨脹率是指巖石標準試樣在有側限條件下浸水后軸向變形與試樣原高度的比值。鑒于膨脹巖具有遇水泥化的特性，取芯具有很高的難度，且重塑后的巖樣內部的親水性礦物的成分與含量均與原狀巖樣一致，重塑巖樣可以很大程度表征原狀巖石的膨脹特性，故本次采用61.8 mm×20 mm的重塑巖樣進行膨脹巖的側向約束無荷膨脹率試驗，試驗在固結儀中進行，設置初始含水率分別為5%、10%、15%、20%、25%。經過分級加水后，發現當含水率達到35%后繼續加水，水無法進入試樣內部，即該膨脹巖的飽和含水率為35%。

對試驗結果進行分析，得到膨脹巖的側向約束無荷膨脹率試驗結果如表2所示，繪制不同初始含水量的膨脹巖試樣的膨脹曲線如圖2所示。

如圖2所示，隨著試樣初始含水率升高，其膨脹系數減小，前期變形速率減小，進入減速變形階段的時間提前，達到平衡狀態所需的時間縮短，最終膨脹系數的數值減小，膨脹率增大速率出現由快變慢的拐點時對應的相對含水率增大。不同初始含水率的試樣吸水膨脹后具有不同的膨脹系數，即試樣的膨脹系數與其初始含水率有關，二者間大致呈線性關系，因此采用線性函數對試樣的膨脹系數和初始含水率之間的關系進行擬合，得到擬合函數式（1）。

可根據式（1）得到該類膨脹巖在不同初始含水率條件下吸水膨脹達到飽和的膨脹系數。

2?考慮圍巖膨脹性的隧道數值模擬研究

2.1?數值模型的建立

本文通過FLAC 3D軟件進行數值模型的建立與計算，利用FLAC 3D軟件的熱-力耦合模塊模擬膨脹圍巖的膨脹效應。依據實際隧道斷面建立數值模型，其中隧道洞徑r=14.0 m。為減小由邊界效應引起的計算誤差，選取的數值模型的尺寸為140 m×70 m×140 m（長×寬×高），其中x軸為水平方向，y軸為隧道軸線方向，z軸為豎直方向。選取圍巖松動范圍作為計算的膨脹范圍，根據董方庭等［9］提供的經驗公式計算得本文所研究的隧道的松動圈厚度約為1.22 m，故對開挖后1.22 m厚度范圍內的圍巖施加溫度場模擬圍巖膨脹作用，建立數值模型如圖3所示。為減少邊界效應的影響，取隧道縱向的中間斷面（Y=35.0 m）作為監測面，監測點設置如圖4所示，其中拱頂、拱底監測圍巖的豎向位移，其余測點監測圍巖水平位移。

邊界條件設置為：約束模型四周的法向位移，約束模型底面的水平和法向位移，頂部邊界考慮埋深的作用，施加方向向下的等效埋深94 m的巖土體重力的應力邊界。模型的初始地應力場僅考慮為重力場，在模型完成初始地應力平衡后，執行隧道開挖的命令。采用全斷面進行隧道開挖，循環進尺為2.0 m，初期支護滯后掌子面2.0 m。

本文選用FLAC 3D軟件中的應變軟化摩爾-庫倫模型作為巖土體的本構模型，選用彈塑性本構模型作為初期支護的本構模型，數值模型的計算參數如表3所示。

2.2?計算結果分析

根據數值計算結果，得到僅考慮開挖條件和考慮開挖和圍巖膨脹共同作用兩種工況下監測斷面各監測點的最終變形值，如圖5所示。

如圖5所示，膨脹性圍巖的膨脹作用對隧道變形具有不利影響，其中對拱底隆起變形的影響最大，隧道斷面產生向內擠壓的變形，尤其對未封底的隧道，圍巖膨脹導致的隧道拱底隆起變形更為嚴重，隧道拱頂及兩側圍巖的膨脹壓力均向拱底傳遞，使隧道拱底位置在強烈的膨脹作用下首先失穩，拱底位置處的圍巖產生流動現象，向隧道內部移動，隧道拱頂及兩側的圍巖向拱底流動，進一步加劇拱底的隆起變形。

2.3?初始含水率對膨脹巖隧道影響性分析

根據膨脹巖的側向約束無荷膨脹率試驗結果可知，初始含水率對膨脹巖的膨脹性具有很大影響，上一節中分析了初始含水率為5%的膨脹巖在隧道開挖過程中的變形，發現膨脹巖的膨脹作用對隧道的穩定性會產生很大的影響，故本節對初始含水率分別為5%、10%、15%、20%、25%的膨脹圍巖5種工況進行數值計算，分析初始含水率對膨脹圍巖隧道開挖的影響規律。根據數值計算結果，得到不同膨脹圍巖初始含水率下的隧道開挖面圍巖洞周位移如圖6所示。

由圖6可知，隧道圍巖的變形程度大致呈現隨初始含水率增大逐漸減小的規律，分析原因為：當圍巖初始含水率較低時，圍巖中存在較多孔隙，遇水后的吸水能力更強，吸收的水分更多，產生更大的膨脹壓力。當圍巖的初始含水率為5%和10%時，隧道圍巖的變形程度較大且二者數值較為接近；當圍巖的初始含水率為15%時，隧道圍巖的變形程度出現較大程度的降低；當圍巖的初始含水率為20%和25%時，隧道圍巖的變形程度再次出現一定程度的降低且二者數值較為接近。即當圍巖的初始含水率＜15%時，圍巖的變形程度較大，在進行支護時應重點考慮膨脹圍巖膨脹力的影響，避免后期產生較大的膨脹變形，導致隧道結構發生破壞。

3?結語

（1）膨脹巖試樣在三軸壓縮條件下的應力-應變曲線主要經歷了彈性、屈服和破壞3個階段。三軸抗壓強度隨著圍壓的增大而增大，圍壓由2.0 MPa增大至4.0 MPa，試樣三軸壓縮抗壓強度相對于圍壓為2 MPa時分別增大了12.8%（3 MPa）和37.6%（4 MPa）。

（2）試樣初始含水率較低時，其膨脹系數更大，前期變形速率更快，進入變形減速階段的時間更晚，達到平衡狀態所需的時間更長，最終的膨脹系數數值更大，膨脹率增大速率出現由快變慢的拐點時對應的相對含水率越小。

（3）膨脹性圍巖的膨脹作用對隧道變形具有不利影響，其中對拱底隆起變形的影響最大。隧道圍巖的變形程度大致呈現隨初始含水率增大逐漸減小的規律，其原因為初始含水率較低的圍巖中存在較多孔隙，遇水后的吸水能力更強，吸收的水分更多，產生更大的膨脹壓力。當圍巖的初始含水率＜15%時，圍巖的變形程度較大，在進行支護時應重點考慮膨脹圍巖膨脹力的影響。

參考文獻

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