徐欽健
(中鐵九局集團(tuán)第九工程有限公司,吉林長春 130021)
地下工程的施工常面臨巖土性質(zhì)的隱蔽性和不確定性,巖土體材料存在節(jié)理裂隙使得巖土體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生隨機(jī)變異[1-3]。特別是對(duì)于膨脹性土質(zhì)隧道,施工期極易因季節(jié)性強(qiáng)降雨的入滲,引起土層的強(qiáng)烈脹縮,物理、力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯改變,導(dǎo)致隧道塌方失穩(wěn),局部甚至出現(xiàn)通天型塌方。開挖過程中,如果對(duì)特殊性土層處置不當(dāng),會(huì)造成連續(xù)不斷的坍塌事故。目前對(duì)于公路路基膨脹性土的問題解決得較好,但是對(duì)于膨脹性土質(zhì)隧道的研究在國內(nèi)外相對(duì)較少。
國內(nèi)外在膨脹性土的理論與試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面做了許多研究。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)研究了膨脹性土的膨脹能力,認(rèn)為要充分研究膨脹性土體的膨縮能力,最直接的辦法是分析組成土體黏土礦物的類型與建立規(guī)范化的膨脹指標(biāo);文獻(xiàn)[5]對(duì)膨脹性土的膨脹潛力與膨脹壓力進(jìn)行研究,認(rèn)為通過控制膨脹性土中添加的纖維摻量與纖維高寬比,可以有效降低膨脹性土的膨脹潛勢(shì);文獻(xiàn)[6]用有限元數(shù)值模擬方法分析了邊坡地形、裂隙位置、裂隙開展深度及裂隙滲透特性等對(duì)邊坡降雨入滲的影響;文獻(xiàn)[7]研究了膨脹性土的主要性狀、邊坡的穩(wěn)定性分析與處理辦法。
國內(nèi)外對(duì)邊坡影響下膨脹性土質(zhì)隧道上覆土體塌方演化過程研究較少。本文采用數(shù)值分析軟件,主要模擬洞室在開挖釋放荷載作用下,因緊鄰邊坡滑移產(chǎn)生額外荷載,使膨脹性土質(zhì)隧道產(chǎn)生坍塌,從位移、應(yīng)力分布和破壞方式等角度揭示隧道塌方機(jī)制。
山西省婁煩縣一膨脹性土質(zhì)隧道為雙線鐵路隧道,所處地段地貌單元主要為丘陵、梁及峁,山峰相連,沖溝發(fā)育,多呈“V”字形,出露高程約1 266~1 170 m,相對(duì)高差約96 m。地表多為種植土,出露巨厚的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖積砂質(zhì)黃土。在地表下20~60 m為上第三系膨脹性土質(zhì),膨脹潛勢(shì)為中~強(qiáng)。其中,第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖積砂質(zhì)黃土黃褐色,松散 ~密實(shí),稍濕,成分以砂質(zhì)土為主,層厚>50 m,承載力在150~200 kPa。上第三系膨脹性土呈紅褐色,硬塑,結(jié)構(gòu)致密,呈菱形狀,土內(nèi)分布有裂隙,斜交剪切裂隙發(fā)育,由細(xì)膩的膠體顆粒組成,斷口光滑,局部有鈣質(zhì)結(jié)核,出露地形坡度平緩(<12°),無明顯的自然陡坎,承載力在150~200 kPa。地下水主要為孔隙、裂隙潛水,受地形地貌、基巖裂隙等發(fā)育程度控制,裂隙水主要補(bǔ)給來源為大氣降水,以垂直排泄為主,徑流排泄速度快。
隧道所在地區(qū)具有以下地質(zhì)特點(diǎn):梁峁起伏、坡度陡峻、溝深谷狹、高差懸殊是本區(qū)地貌的總體特點(diǎn);以梁峁及樹枝狀溝谷組合為基本特征,梁峁間彼此溝壑相隔,地形坡度較陡,土質(zhì)疏松,徑流侵蝕作用強(qiáng)烈,沖溝十分發(fā)育,總體呈樹枝狀分布;由于坡度陡峭、高差懸殊、天然植被覆蓋少,梁峁頂部至溝底的各種流水侵蝕都很活躍,容易成為滑坡、崩塌等重力地貌的集中發(fā)育地段。該膨脹性土質(zhì)隧道縱斷面如圖1所示。
圖1 隧道縱斷面
建設(shè)期隧道受偏壓、高仰邊坡及地質(zhì)特點(diǎn)的影響,膨脹性土吸水增濕膨脹,緊鄰邊坡發(fā)生滑移,擠壓洞室發(fā)生塌方。空間形態(tài)上表現(xiàn)為邊坡滑移方向與隧道前進(jìn)軸線方向垂直。
這種空間形態(tài)的變形破壞,最先在邊坡與支護(hù)結(jié)構(gòu)作用面上出現(xiàn)一些與邊坡運(yùn)動(dòng)方向垂直的裂縫,在接觸面附近,裂縫發(fā)展變化最快。隨著土體膨脹變形發(fā)展,裂縫面逐漸擴(kuò)大,裂縫寬度逐漸增寬,逐漸發(fā)展出數(shù)量眾多的次生相交裂縫。膨脹變形過程增大了對(duì)型鋼及噴射混凝土結(jié)構(gòu)的擠壓,整個(gè)拱部與頂部向洞室內(nèi)部方向變形,邊墻結(jié)構(gòu)逐漸剝離,底板彎曲變形,洞室向凈空面收縮。隨著時(shí)間的發(fā)展,初期支護(hù)體系被破壞,拱架屈曲,拱部與頂部結(jié)構(gòu)剝落、位移,完全失去支撐能力,地表下陷,上覆土體下落涌入洞內(nèi)??臻g形態(tài)上邊墻與腰部圍巖滑移推動(dòng)產(chǎn)生變形裂縫處的支護(hù)結(jié)構(gòu),腰部和頂部噴射混凝土逐漸剝落、初期支護(hù)掉塊、型鋼屈曲、裂縫密集增多并擴(kuò)大。變形破壞過程由慢及快,襯砌結(jié)構(gòu)逐漸喪失承載能力,直至變形過大,支護(hù)整體發(fā)生破壞,相互作用處土體垂直下落,掩蓋隧道與支護(hù)體系,隧道發(fā)生洞內(nèi)塌方。邊坡滑移影響下襯砌裂縫如圖2所示。
參照該膨脹性土質(zhì)隧道設(shè)計(jì)參數(shù),采用通用離散元軟件UDEC模擬平面應(yīng)變下的隧道開挖過程。依托地質(zhì)資料、地質(zhì)復(fù)勘和土體坍塌斷面的揭示,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)主要存在3組節(jié)理,且埋深愈淺,表面節(jié)理愈發(fā)育。利用UDEC模擬軟件自帶的JSET命令將圍巖生成3組帶有隨機(jī)參數(shù)分布的節(jié)理,具體參數(shù)見表1。
圍巖采用摩爾—庫倫(change cons=3)模型,節(jié)理采用庫倫滑動(dòng)模型(change jcons=2)模型。對(duì)于選取的DK75+230斷面模型邊界條件為側(cè)向邊界和底邊邊界設(shè)置法向約束,上表面設(shè)置自由邊界,地應(yīng)力按自重應(yīng)力場添加,側(cè)向壓力系數(shù)取0.285,初期支護(hù)采用beam梁單元模擬。計(jì)算模型尺寸為115 m(寬)×103 m(高)。
圖2 邊坡滑移影響下襯砌裂縫效果
表1 節(jié)理參數(shù)
模擬計(jì)算洞室變形破壞、內(nèi)部塌方時(shí),塊體間會(huì)因失去聯(lián)結(jié)力而相互分離,繼而通過不平衡力無法控制坍塌效果,因此通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法來控制計(jì)算過程。
1)位移矢量與豎向位移分布(圖3)。由圖3可以看出,頂部土體向右滑動(dòng)擠壓塌方區(qū)域土體,洞室上覆區(qū)出現(xiàn)大范圍豎直方向位移。位移變形過大,支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞,土體沿豎直方向落入洞室,掩埋隧道。
2)最大、最小主應(yīng)力分布。洞室內(nèi)部發(fā)生變形破壞的最大、最小主應(yīng)力分布如圖4所示,可以看出,塌方過程中上覆土體很多區(qū)域塊體最大、最小主應(yīng)力均已變?yōu)?,說明塊體間已失去聯(lián)結(jié)能力,即洞室處于大體積坍塌滑落狀態(tài),直至坍塌過程結(jié)束,山體達(dá)到新的平衡。
3)土層增濕膨脹引起邊坡滑移產(chǎn)生額外荷載,超過型鋼抗壓極限,引起支護(hù)結(jié)構(gòu)屈曲變形,造成洞室襯砌變形破壞,導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生了較大的豎直方向位移,垂直下落充填、掩埋洞室。因邊坡滑移影響,洞室內(nèi)部左側(cè)墻體最先受到荷載作用,邊墻與拱頂出現(xiàn)裂縫,隨著型鋼變形破壞,裂縫密集增多、寬度擴(kuò)大,支護(hù)結(jié)構(gòu)脫落,上覆圍巖受自重和額外荷載擠壓作用,出現(xiàn)大量豎直方向位移。數(shù)值模擬結(jié)果見圖5,實(shí)際破壞情況見圖6。
綜上分析,隧道開挖以后,圍巖原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞,引起開挖區(qū)域附近應(yīng)力重分布。圍巖較容易在低圍壓和高應(yīng)力差的環(huán)境下發(fā)生變形破壞,即便在有支護(hù)條件下亦是如此。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供足夠的支護(hù)力,或者說因邊坡滑移而增加的額外荷載導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞,圍巖變形得不到有效的約束控制時(shí)圍巖變形隨之產(chǎn)生。建設(shè)期洞室坍塌正是由于邊坡滑移,產(chǎn)生額外荷載,使支護(hù)結(jié)構(gòu)屈曲變形,直至破壞,上覆土體發(fā)生大體積塌方。
圖4 最大、最小主應(yīng)力分布
圖5 模擬破壞情況
圖6 實(shí)際破壞情況
綜合數(shù)值分析結(jié)果與真實(shí)破壞情況,為避免類似隧道坍塌的發(fā)生,給出如下建議:
圖3 洞室坍塌位移矢量與豎向位移分布示意
1)洞頂上方區(qū)域必須回填密實(shí),頂部地表盡量卸載、反壓,盡可能減少兩側(cè)土體對(duì)襯砌產(chǎn)生的不對(duì)稱側(cè)壓,減小剩余偏壓力對(duì)隧道整體穩(wěn)定的影響。
2)邊坡發(fā)生滑移,在變形可控范圍,應(yīng)立即封閉地表土體裂縫與襯砌貫通裂縫,尤其是滑移作用面附近的張開裂縫。洞室內(nèi)部增加臨時(shí)剛性支撐,并與初支結(jié)構(gòu)連接形成整體,以增加洞室內(nèi)部穩(wěn)定性,控制圍巖變形。
3)地表徑向注漿。建議對(duì)洞室內(nèi)部采用對(duì)穿注漿錨索加固拱部以上地層,從下往上,間隔跳孔注漿,防止大體積坍塌的產(chǎn)生。
4)初期支護(hù)增強(qiáng)。減少型鋼排距,采用高強(qiáng)度、低回彈噴射混凝土噴射頂部及邊墻,保證有足夠承載力抵抗圍巖變形。
1)非飽和膨脹性土增濕膨脹,引起緊鄰邊坡滑移,產(chǎn)生額外荷載,附加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上,導(dǎo)致型鋼屈曲、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、破壞,形成洞室內(nèi)部塌方。建設(shè)期隧道正是由于區(qū)域性強(qiáng)降水的入滲及引排水措施的不當(dāng)引起了中等偏強(qiáng)膨脹潛勢(shì)的膨脹性土膨脹變形,引起洞室坍塌。
2)數(shù)值分析結(jié)果表明,邊坡滑移影響下,洞室內(nèi)出現(xiàn)大范圍豎向位移,位移最大值出現(xiàn)在土體頂部區(qū)域。發(fā)生變形破壞時(shí),土體聯(lián)結(jié)能力喪失,最大、最小主應(yīng)力大部分已變?yōu)?;內(nèi)部左側(cè)墻體最先受到荷載作用,邊墻與拱頂出現(xiàn)裂縫,隨著型鋼變形破壞,裂縫密集增多、寬度擴(kuò)大,支護(hù)結(jié)構(gòu)脫落,上覆土體進(jìn)入隧道,掩埋洞室。模擬結(jié)果與現(xiàn)場真實(shí)情況破壞方式基本一致。
3)針對(duì)隧道的實(shí)際情況,結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果,提出了以回填、封閉及注漿為主,以加強(qiáng)初期支護(hù)及采用新型高強(qiáng)、低回彈的噴射混凝土為輔的預(yù)防措施。
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