俞文生，劉蕙婷，晏　勤，張龍生，周小勇（.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌　0000；.江西交通咨詢公司，江西 南昌　0000；.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南　5006）

降雨條件下膨脹性黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞特征

俞文生1，劉蕙婷2，晏勤3，張龍生2，周小勇2
（1.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌330000；2.江西交通咨詢公司，江西 南昌330000；3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南250061）

為了揭示膨脹性黃土隧道在降雨作用下圍巖與支護(hù)破壞機(jī)理，采用有限元軟件對膨脹性黃土地層中的靜游隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示：由于降雨，隧道拱頂上方塑性區(qū)貫通并產(chǎn)生較大位移，隧道上部坡體產(chǎn)生大面積塑性區(qū)并發(fā)生滑移；隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞位置與實(shí)際情況一致，且由于膨脹力的作用隧道偏壓更明顯，應(yīng)力大的一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞更顯著。因此需要對圍巖進(jìn)行加固，尤其是在應(yīng)力較大的一側(cè)應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度。

膨脹性黃土；破壞特征；遇水軟化；膨脹力；降雨

我國是黃土覆蓋面積最大的國家之一，黃土廣泛分布于華北、華中和西北地區(qū)［1］。由于膨脹性黃土的特殊性，黃土圍巖隧道在干燥條件下具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，隧道開挖后土體一旦遇水，將會導(dǎo)致圍巖發(fā)生膨脹，力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，從而影響隧道的穩(wěn)定性。如果對黃土隧道破壞機(jī)理認(rèn)識不清，就容易造成初期支護(hù)開裂，隧道及地表發(fā)生大變形，甚至塌方［2］。

何歷超等［3］采用現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法對某黃土隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，比較了格柵與型鋼2種支護(hù)結(jié)構(gòu)對黃土隧道的支護(hù)效果和影響規(guī)律。孫即超等［4］對膨脹土的膨脹力進(jìn)行了研究，采用牛頓迭代方法，計算確定了膨脹土邊坡的膨脹參數(shù)和膨脹力公式。曾仲毅等［5］針對小河溝膨脹土隧道塌方現(xiàn)象，利用熱傳導(dǎo)膨脹來模擬膨脹土的增濕膨脹，分析了圍巖含水率增加對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。前人的研究主要集中在膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)或支護(hù)結(jié)構(gòu)對隧道的影響方面，本文結(jié)合已建黃土隧道的工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞特征進(jìn)行分析。

1　工程概況

靜游隧道為雙線隧道，全長1 803 m，最大埋深約82 m，最小埋深5 m。該隧道所處地段主要為黃土梁、黃土峁地貌，隧道進(jìn)出口都為黃土所覆蓋，交通較為便利。隧道處于膨脹性黃土地層中，在施工過程中發(fā)生過多次塌方，其誘發(fā)原因基本上都是受到地表水入滲的影響，或是降雨誘發(fā)洞口邊坡滑塌。比較大的塌方有3次，2次發(fā)生在洞內(nèi)，1次發(fā)生在洞口。其中最為嚴(yán)重的一次塌方發(fā)生時，近70 m的初期支護(hù)全部被壓垮，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，延誤工期近1年多。該塌方段埋深28 m，位于偏壓地帶，支護(hù)破壞情況見圖1。

圖1　支護(hù)破壞情況

隧道采用超前小導(dǎo)管或長管棚進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)。初期支護(hù)主要由間距0.8 m的I20b工字鋼鋼拱架、厚度0.25 m的 C20混凝土噴層、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿組成，系統(tǒng)錨桿采用普通砂漿錨桿。每榀鋼拱架之間用鋼筋沿隧道軸向焊接，約束拱架的橫向變形，在拱部將拱架與超前小導(dǎo)管焊接為一體，復(fù)噴混凝土后形成一個整體。在監(jiān)測初期拱頂沉降增長幅度較小，達(dá)到0.04 m后沉降變形穩(wěn)定，直到塌方前1d沉降突然增大，最后一次監(jiān)測值達(dá)到了0.236 m。

2　數(shù)值模擬

數(shù)值模型是以塌方斷面為基準(zhǔn)建立的準(zhǔn)二維地質(zhì)模型，考慮邊界效應(yīng)對計算的影響，模型的左右邊界和下邊界距離隧洞邊緣為3～5倍開挖洞徑［6］，即左右邊界距離隧道中線60 m，下邊界距離隧道底部50 m，上邊界取至地表，隧道軸線方向長度取1 m。左右、前后和下邊界位移約束都設(shè)置為法向約束，上邊界為自由約束。建立的有限差分網(wǎng)格模型見圖2，模型共劃分了9 912個單元和12 835個節(jié)點(diǎn)。中部為隧洞開挖區(qū)域，土體采用六面體網(wǎng)格，力學(xué)本構(gòu)采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

圖2　有限差分網(wǎng)格模型

考慮到黃土遇水膨脹，力學(xué)強(qiáng)度降低。所以在模型中增加膨脹力并降低圍巖參數(shù)來模擬降雨對隧道穩(wěn)定性的影響，計算中不考慮滲流作用。采用有限差分軟件的計算流程見圖3。

圖3　計算流程

膨脹性黃土物理力學(xué)參數(shù)見表1。通過與相關(guān)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)比選，膨脹力取0.2 MPa［7］。

表1　膨脹性黃土物理力學(xué)參數(shù)

模擬時，土體采用六面體實(shí)體單元，錨桿支護(hù)單元采用Cable單元，初期支護(hù)采用Shell單元。為簡化計算，將型鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土3種支護(hù)材料按照剛度等效的方法等效為對應(yīng)厚度的 Shell單元進(jìn)行計算。剛度等效計算公式為

EI=E1I1+E2I2+E3I3

式中：E為等效Shell單元的彈性模量；E1，E2，E3分別為噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架的彈性模量；I為等效支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎慣性矩；I1，I2，I3分別為噴射混凝土層、襯砌中鋼筋、鋼拱架的抗彎慣性矩。

由式（1）計算得出，等效支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量E 為30×103MPa。

經(jīng)過計算，降雨前由于圍巖強(qiáng)度較高，隧道開挖支護(hù)后處于穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎不存在塑性區(qū)（見圖4（a））。圍巖沉降值較小，拱頂沉降在0.04 m左右，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)一致。最大沉降部位在隧道左側(cè)拱腰處，這是由于隧道偏壓所致。

圖4　降雨前后圍巖塑性區(qū)分布（單位：m）

降雨后隧道圍巖塑性區(qū)分布見圖4（b）?？梢姡涤旰笥捎趪鷰r強(qiáng)度降低和膨脹力的產(chǎn)生，隧道上部邊坡產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)明顯的滑移面，塑性區(qū)貫通。其破壞形態(tài)與現(xiàn)場隧道圍巖塌方十分相似。

經(jīng)計算得到噴射混凝土層軸力，見圖5。由圖可見，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大軸力為5.91×103kN。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞最先出現(xiàn)在拱腰和側(cè)墻位置。這是由于隧道地表為斜坡，圍巖處于偏壓狀態(tài)，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)左側(cè)軸力大于右側(cè)。

圖5　噴層軸力（單位：N）

模擬的噴射混凝土受壓破壞形式與實(shí)際情況基本一致。根據(jù)現(xiàn)場觀測，拱腰和側(cè)墻初噴混凝土破壞，出現(xiàn)剝蝕掉塊，并且由于混凝土噴層開裂，導(dǎo)致隧道兩側(cè)土體向隧道內(nèi)部涌入，引起隧道塌方。

3　結(jié)論

1）在數(shù)值模擬計算中通過增加土體膨脹力并降低圍巖參數(shù)能較為準(zhǔn)確地模擬膨脹性黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況。

2）由于膨脹性黃土隧道圍巖遇水后軟化及膨脹，隧道拱頂上方塑性區(qū)貫通并產(chǎn)生較大位移，隧道上部坡體產(chǎn)生大面積塑性區(qū)并發(fā)生滑移。同時，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，圍巖土體涌入隧道內(nèi)部。

3）數(shù)值模擬顯示的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞位置與實(shí)際情況一致，且由于膨脹力的作用，隧道偏壓效應(yīng)更明顯，應(yīng)力大的一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞更顯著。因此，需要對圍巖進(jìn)行加固，尤其是應(yīng)力較大的一側(cè)應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度。

［1］謝定義.試論我國黃土力學(xué)研究中的若干新趨向［J］.巖土工程學(xué)報，2001，23（1）：3-13.

［2］汪成兵，朱合華.埋深對軟弱隧道圍巖破壞影響機(jī)制試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（12）：2442-2448.

［3］何歷超，王夢恕，李宇杰.淺埋大跨小間距黃土隧道支護(hù)技術(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34（增2）：306-310.

［4］孫即超，王光謙，董希斌，等.膨脹土膨脹模型及其反演［J］.巖土力學(xué)，2007（10）：2055-2059.

［5］曾仲毅，徐幫樹，胡世權(quán)，等.增濕條件下膨脹土隧道襯砌破壞數(shù)值分析［J］.巖土力學(xué)，2014，35（3）：871-880.

［6］蘇曉堃.隧道開挖數(shù)值模擬的圍巖邊界取值范圍研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2012，29（3）：64-68.

［7］朱豪，王柳江，劉斯宏，等.南陽膨脹土膨脹力特性試驗(yàn)［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011，9（5）：11-14.

（責(zé)任審編葛全紅）

Analysis of Failure Feature of Expansive Loess Tunnel Support Structure Under Rainfall Condition

YU Wensheng1，LIU Huiting2，YAN Qin3，ZHANG Longsheng2，ZHOU Xiaoyong2
（1.Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi 330000，China；2.Jiangxi Transport Consultation Company，Nanchang Jiangxi 330000，China；3.Geotechnical&Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China）

In order to study surrounding rock and support failure mechanism of expansive loess tunnel under rainfall condition，numerical simulation of Jingyou tunnel excavation in the expansive loess stratum was made by using the finite element software.T he results show that plastic zone is interconnected and a larger displacement is generated above the tunnel vault and a large area of plastic zone is produced and the slippage occurs in the upper slope of tunnel due to the rainfall，the failure position of the tunnel support structure is consistent with the actual situation，tunnel bias is more obvious under the action of expansive force，and the damage of support structure is more significant on the side of large stress，which means that the surrounding rock should be reinforced and the initial support strength should be increased on the side of large stress.

Expansive loess；Failure feature；W ater softening；Expansive force；Rainfall

U45

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.21

1003-1995（2016）08-0086-03

2015-10-20；

2016-05-20

俞文生（1976— ），男，教授級高工，博士。