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。

1 工程概況

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

2 上覆土體塌方離散元(UDEC)數(shù)值模擬

2.1 土體坍塌情況概述

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。

2.2 數(shù)值模型的建立

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)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

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。

3 結(jié)論

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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