方志杰,邢景植,莫 曼,張 敏,李政林

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 柳州 545006; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土與地下工程國家重點實驗室,北京 100083; 3.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 引 言

近年來,我國高速鐵路的快速發(fā)展,季節(jié)性冰凍地區(qū)淺埋隧道施工越來越多,跨年較長明洞的施工在淺埋隧道中有著很重要的作用,在邊坡土體凍脹和融化作用下,溫度的熱交換和冰雪融水引起土體的凍結(jié)和融沉,導(dǎo)致噴錨支護面層容易發(fā)生較大規(guī)模的脫落、裂縫、滑塌,此類工程問題對明洞仰拱、襯砌施工帶來不便,不僅造成經(jīng)濟的損失,而且延長隧道建設(shè)工期。

目前在土體凍脹問題研究方面已積累了一些經(jīng)驗[1-4], 數(shù)值模擬是分析實際問題的有效方法, 數(shù)值模擬方法多采用有限元法和有限差分法, FLAC3D是三維快速拉格朗日分析程序采用混合離散法來模擬材料的屈服和塑性流動的特性, 這個方法比有限元中采用降階積分更為合理, 并可以用內(nèi)嵌FISH語言定義新的變量和參數(shù)以適應(yīng)特殊要求：藍航[5]采用FLAC3D內(nèi)嵌FISH語言編寫安全度計算模塊，并對邊坡進行了數(shù)值模擬, 得到了邊

坡各單元安全度的分布; 霍曉龍等[6]利用FLAC3D內(nèi)嵌FISH語言編寫路基計算參數(shù)隨溫度變化參數(shù),對凍土路基的凍融變形問題進行了更準確的模擬分析；蔣中明等[7]通過編寫FISH函數(shù)實現(xiàn)邊坡三維降雨入滲過程的模擬,研究了降雨入滲引起的邊坡暫態(tài)飽和區(qū)變化過程。文獻資料顯示,凍土工程變形場的分析絕大部分采用數(shù)值模擬來計算,但該方法目前還很不完善,在分析時隨著溫度變化計算參數(shù)不易確定,大多數(shù)情況下,只能靠經(jīng)驗來確定,易造成計算誤差,有很大的局限性,限制了數(shù)值模擬在季凍區(qū)凍土當中的應(yīng)用。

為了克服上述不足, 本文針對吉圖琿鐵路客運專線——團結(jié)隧道明洞臨時邊坡支護體系面層的開裂、 脫落及滑塌, 利用有限差分軟件FLAC3D內(nèi)嵌FISH語言編寫邊坡土體凍脹熱源在凍結(jié)深度范圍以內(nèi)隨時間變化的程序, 通過動態(tài)改變該參數(shù)來模擬邊坡及其支護體系凍脹過程, 并與現(xiàn)場實際量測結(jié)果作對比分析, 總結(jié)出凍脹對支護體系影響規(guī)律, 為季凍區(qū)隧道明洞邊坡防護提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 隧道概況

吉圖琿鐵路客運專線團結(jié)隧道全長815 m, 明洞長361 m, 明洞臨時邊坡采用噴錨網(wǎng)防護, 錨桿:Φ22砂漿錨桿, 每根長3 m, 間距1.5 m×1.5 m, 梅花型布置; 噴射混凝土: 采用C20噴射混凝土, 厚度10 cm; 鋼筋網(wǎng)采用Φ8, 網(wǎng)格25 cm×25 cm。

1.2 工程地質(zhì)和氣候條件

該隧道整體埋深較淺, 明洞邊坡滑塌段地層巖性從上到下分布依次是: 粉質(zhì)黏土、 粗角礫土、 全風化砂礫巖、 泥巖、 全風化砂礫巖和強風化砂礫巖。 泥巖具有膨脹性， 自由膨脹率17%～30%, 蒙脫石含量12.53%～16.53%。 年平均降水量 528～670 mm, 主要集中于6—8 月。 冬季寒冷多雪， 極端最低氣溫在-29 ℃ 以下, 局部地方可達-42 ℃， 土壤最大凍結(jié)深度達 181 cm。

1.3 滑塌過程和規(guī)模

該隧道在該年11月完成明洞臨時邊坡支護和部分仰拱施工, 明洞襯砌尚未施工。 次年1月, 邊坡支護體系隨著溫度的升高, 噴射混凝土面層出現(xiàn)通長裂縫,坡腳鼓起、 面層脫落,有部分區(qū)域整體滑塌, 如圖1所示, 根據(jù)次年3月的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù), 噴射混凝土面層的返工面積達1 217 m2。

2 計算方法

2.1 計算模型

地質(zhì)環(huán)境分析根據(jù)地質(zhì)工況示意圖圖2進行。為了方便計算，模型選取在熱擾動影響范圍之內(nèi)即可[8-9]。選取線路左側(cè)實際滑塌最嚴重的一段為研究對象,橫向左側(cè)邊界距離仰拱右側(cè)40 m,豎向模型的下邊界距離明洞仰拱底部距離8 m,縱向選取10 m厚度,計算中在模型下邊界施加豎向位移約束,前后左右邊界施加水平位移約束,將噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)等效后采用shell單元模擬,巖體采用實體單元模擬,砂漿錨桿采用cable單元模擬,采用分層按照設(shè)計1∶0.75放坡開挖噴錨支護,得到計算模型如圖3所示。

2.2 計算參數(shù)選取

凍土的性質(zhì)與土體的溫度關(guān)系非常密切,結(jié)合溫度對凍土的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱的影響,根據(jù)實測資料、文獻[10-12]、團結(jié)隧道地質(zhì)勘測資料、《復(fù)合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范》[13]和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[14]，等效后地層及噴錨體系的物理參數(shù)如表1、2所示。

2.3 邊界條件和初始條件

模型的左右邊界按絕熱處理,由于仰拱以下溫度變化對邊坡凍脹影響較小, 所以模型底部邊界溫度可以取常量。在進行邊坡凍融對支護體系變化規(guī)律計算時,需要利用正弦函數(shù)回歸法對隧址的年氣溫變化函數(shù)進行擬合。選取擬合通式為

圖2 地質(zhì)工況圖Fig.2 Geological condition1—粉質(zhì)粘土；2—粗角礫土；3—泥巖；4—全風化砂礫巖；5—強風化砂礫巖

圖3 計算模型圖Fig.3 Calculation model

名稱彈性模量/GPa密度/(kg·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)/(m·s-1) 粉質(zhì)粘土0.82 0006.5211E-9 粗角礫土1.02 0003331E-5 全風化砂礫巖2.32 10037.1351E-7 泥巖1.12 20024.8201E-9 全風化砂礫巖22 09031321E-7 強風化砂礫巖22 02029.5281E-7 噴錨支護102 500---

表2 土體的熱力學(xué)參數(shù)

T=Ta·sin(2·π·t/365+φ)+Tm,

式中:Tm—隧道所在地區(qū)平均氣溫, ℃;Ta—該地區(qū)溫度變幅, ℃;t—時間, d;φ—初始相位, rad。

本次模擬計算中認定, 地面附近的大氣溫度是在一年內(nèi)按周期性正弦規(guī)律時間變化, 根據(jù)對溫度的實測結(jié)果進行整理和分析隧址, 溫度函數(shù)為

T=35.7·sin(2·π·t/365+3.4)+6.7。

2.4 監(jiān)測項目

以穩(wěn)定性為研究目的,選取凍結(jié)范圍內(nèi)巖體位移、支護內(nèi)力作為監(jiān)測項目,從坡頂?shù)狡碌滓还驳乳g距設(shè)置了7個現(xiàn)場監(jiān)測點,監(jiān)測點位置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點布置Fig.4 Layout of monitoring points

3 結(jié)果分析

3.1 模型的有效性驗證

為驗證模型的有效性,選取邊坡支護完成時間從當年11月為計算初始時刻,凍融期為次年4月，共5個月,氣溫隨著時間變化如圖5所示。

分別取當年11月、次年1月和3月的監(jiān)測點計算支護位移和實測支護位移對比,如圖6所示。

圖5 日平均氣溫變化曲線Fig.5 Curve for average daily temperatures

圖6 計算與實測支護位移曲線Fig.6 Displacement of the measured and calculated curves

可以看出,監(jiān)測點計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)差異不大,實測位移略大于計算位移。根據(jù)該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)平均值可以確定外部邊界條件,而邊坡邊界條件受到諸多因素的影響,波動也較大,與計算所采用的條件不可能完全一致,因此溫度對凍脹影響有一定誤差。監(jiān)測點1位移誤差為3 cm,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是冬季氣溫降低時,水分子向土壤冰凍線0 ℃積聚,在坡面下30～50 cm處形成冰晶體[15],春季氣溫上升, 冰晶體融化導(dǎo)致土中含水量過大,再加上坡頂融雪增加了水分的補給量,不僅降低了土體的強度,使邊坡滑動面的抗滑能力降低,而且會增加邊坡自重,使下滑力增大,導(dǎo)致實際位移增大。監(jiān)測點5在3月份位移值誤差為2 cm,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是邊坡泥巖中膨脹性粘土具有富含膨脹性粘粒、強度低、易崩解、膨脹性強、膨脹力大等工程特性[16]以及軟弱巖層時效穩(wěn)定性[17]使實測位移大于計算位移，而其他各監(jiān)測點的計算值和實際值的誤差都在允許范圍內(nèi)?？偟膩碚f,位移的計算結(jié)果和實測值比較接近,且呈相同的變化規(guī)律,從而驗證了FLAC3D在邊坡支護中的有效性與可靠性。

圖7為隧道邊坡巖土體計算位移與支護計算位移曲線,位移大小標志著噴錨支護體系的穩(wěn)定性的好壞。當溫度最低時,1-7號監(jiān)測點位移最大依次為0.220、0.139、0.064、0.124、0.176、0.165和0.117 m；對于邊坡凍脹對監(jiān)測點位移的影響幅度依次為0.060、0.036、0.023、0.040、0.047和0.023 m。在同一監(jiān)測位置,隨著時間變化，監(jiān)測點位移先增大后減小,在第90天所有的監(jiān)測點位移均出現(xiàn)極大值,其中監(jiān)測點1和5位移最大，分別是0.220和0.176 m。從數(shù)值上看,在溫度較高時,監(jiān)測點之間位移變化幅度較小,隨著溫度的降低,位移變化幅度明顯變大,呈現(xiàn)遞增趨勢,位于坡頂處的監(jiān)測點1從0.10 m增加到0.22 m;監(jiān)測點3邊坡位移及支護位移變化幅度不大,且變化值最小,其原因是隨著凍脹的發(fā)生、溫度的變化；監(jiān)測點1和2受到地表冰雪融水的直接凍融作用,凍脹現(xiàn)象明顯,位移變化較大；監(jiān)測點4附近,由于泥巖夾層中軟巖吸水膨脹后的凍脹作用,相應(yīng)測點位移變化較大；而在監(jiān)測點3位置,由于全風化砂礫巖的透水作用,含水量較少,且受到砂漿錨桿拉力的作用,故而位移變化幅度不大,且位移變化值最?。槐O(jiān)測點5從0.089 m增加到0.176 m,隨著氣溫的回升,監(jiān)測點位置巖土體位移減小,監(jiān)測點1從0.22 m降低到0.16 m,監(jiān)測點5從0.176 m降低到0.047 m,噴錨支護體系位移隨之減小,但邊坡土體位移減小要更大一些,當溫度再慢慢升高時,土體和噴錨支護面層之間形成空隙,噴射混凝土面層極容易形成脫落和滑塌,造成如圖1a和1b所示的工程問題,應(yīng)通過增加錨桿長度和提高噴射混凝土強度來提高支護體系的穩(wěn)定性。

圖7 邊坡位移與支護位移曲線Fig.7 Displacement of slope and supporting curve

3.2 噴錨體系結(jié)構(gòu)內(nèi)力

3.2.1 噴射混凝土面層的彎矩和軸力 選取邊坡各監(jiān)測點處彎矩和軸力作為邊坡支護特征彎矩、 軸力來進行分析, 計算得出1-7號監(jiān)測點沒有經(jīng)過凍脹時的彎矩分別為-0.692、 2.527、 -2.601、 0.834、 -0.730、 0.194、 -0.227 kN·m, 軸力分別為5.597、 3.552、 -44.812、-107.749、-94.209、-105.126、-199.394 kN。圖8為不同凍脹期邊坡各個監(jiān)測點彎矩特征變化曲線。

圖8 監(jiān)測點噴射混凝土面層支護彎矩變化曲線Fig.8 Curves moment varies in shell monitoring points of the sprayed concrete layer

從彎矩分布形態(tài)來看,在凍脹第30、60、120和150天時彎矩浮動范圍較小,均勻性較好;而在第90天時,彎矩浮動范圍較大,均勻性較差,故凍脹時間變化對彎矩的分布影響較大。從數(shù)值上來看,第120天彎矩最大值和最小值相差12.384 kN·m,第30和150天彎矩最大值和最小值僅相差5.68和5.97 kN·m,各監(jiān)測點彎矩變化規(guī)律相同。第3個月時,監(jiān)測點3最大負彎矩為8.824 kN·m,監(jiān)測點2最大正彎矩為3.534 kN·m,與此對應(yīng)的這些地方附近為最大彎矩分布區(qū)域。凍脹時間影響支護彎矩分布形態(tài),最大負彎矩主要分布在監(jiān)測點3周圍,從第30、60、90、120、150天依次為-3.166、-4.057、-8.824、-5.126、-2.984 kN·m,第90天,相應(yīng)溫度降低到最低時,彎矩達到了最大值-8.824 kN·m。此時，監(jiān)測點3附近噴射混凝土面層出現(xiàn)最大負彎矩,極易出現(xiàn)拉裂縫,造成如圖1c所示的工程問題,嚴重時會導(dǎo)致面層的脫落,應(yīng)通過提高噴射混凝土強度來減少裂縫的發(fā)生。

圖9為各監(jiān)測點位置在不同凍脹時期的支護軸力曲線。由軸力分布曲線可以看出,監(jiān)測點2、3、4附近支護軸力在凍脹期內(nèi)為負值,噴射混凝土面層受壓,軸力對結(jié)構(gòu)性能影響較小;監(jiān)測點5、6、7附近支護軸力在凍脹期內(nèi)變化幅度較大,第90天凍脹對支護軸力的影響較大,浮動范圍較大,均勻性較差。從數(shù)值上來看,隨著凍脹時間的變化,第30天監(jiān)測點7軸力較大,軸力達到-213.391 kN,而在凍脹第90天時,監(jiān)測點處支護軸力增大到340.995 kN,第150天時軸力減小到-31.751 kN,差值為 372.746 kN,與無凍脹支護軸力相比較,軸力最大差值為446.121 kN;各監(jiān)測點在第150天軸力變化幅度較小,均勻性較好;監(jiān)測點6附近在凍脹期內(nèi)有最大值,因此,在凍脹期內(nèi),監(jiān)測點6附近噴射混凝土容易拉裂,在膨脹力作用下容易產(chǎn)生脫落,從而影響坡腳的穩(wěn)定性,導(dǎo)致如圖1d所示的工程問題,應(yīng)該首先保證該點周圍支護結(jié)構(gòu)的抗拉性能。

圖9 監(jiān)測點噴射混凝土面層支護軸力變化曲線Fig.9 Curve axial force varies in shell monitoring points of the sprayed concrete layer

3.2.2 砂漿錨桿軸力 選取監(jiān)測點位置處的錨桿進行錨桿軸力分析。計算得出1～7號監(jiān)測點無凍脹時錨桿軸力差值分別為27.526、14.962、50.477、71.791、43.069、72.864和64.412 kN,差值較小,各測點變化幅度較小。凍脹期內(nèi)各監(jiān)測點錨桿的軸力差值曲線如圖10所示。

圖10 錨桿軸力差值Fig.10 Differences of axial forces of the anchor bolt

各監(jiān)測點處錨桿軸力差值前90天波動較大,在監(jiān)測點1～2、6～7間呈遞減趨勢,2～6間呈遞增趨勢,后60天波動相對均勻,對支護影響較小;從數(shù)值上來看,凍脹期內(nèi)監(jiān)測點6附近錨桿軸力差值出現(xiàn)極大值,而第90天軸力差值達到365.633 kN,這說明在接近坡底位置,錨桿在土體之間容易發(fā)生錯動,使錨桿和噴錨混凝土面層連接處容易分離,導(dǎo)致噴射混凝土面層區(qū)部脫落,形成如圖1e所示的工程問題,因此,在施工過程中,應(yīng)嚴格注漿保證錨桿和土體之間粘結(jié)或提高坡底錨桿和噴錨面層的連接力學(xué)性能。

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

邊坡巖土體塑性區(qū)的大小標志著邊坡開挖凍脹后的承載力狀態(tài)：塑性區(qū)越大,承載力越差,穩(wěn)定性越差。在凍脹期內(nèi),選取如圖11所示的6種工況下的計算結(jié)果進行塑性區(qū)分析。

與沒有發(fā)生凍脹的邊坡地層相比,凍脹增大了塑性區(qū)的范圍,甚至貫穿到泥巖地層中,且在第150天塑性區(qū)相對較大,穩(wěn)定性較差;塑性區(qū)主要出現(xiàn)在監(jiān)測點4以上巖層中,而在監(jiān)測點4以下巖層中塑性區(qū)較小,凍脹對其影響基本消失。故在實際工程中,由坡頂部分的巖土體的塑性破壞,導(dǎo)致錨桿與周圍摩擦力降低,再加上凍脹支護體系位移的影響,水泥砂漿錨桿極容易從巖土體中拔出,導(dǎo)致邊坡土體及噴射混凝土面層滑塌,形成如圖1f所示的工程問題,施工中應(yīng)通過對巖土體的注漿加固和增加錨桿長度的方法提高邊坡土體強度,同時應(yīng)注意軟弱泥巖層處置強度,若處置后承載力仍低于基巖,說明存在著滑塌隱患,不能忽視,應(yīng)采取進一步處置措施。

4 結(jié) 論

本文針對季節(jié)性冰凍地區(qū)隧道明洞邊坡防護體系的破壞,將其參數(shù)進行等效處理后,采用有限差分軟件FLAC3D完成邊坡及其噴錨支護特性變化的模擬,并與實際工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比,得到了以下結(jié)論:

(1)凍脹期間,溫度先降低再升高,隨著溫度的降低,支護位移變大,在坡頂處位移最大值達到0.22 m,其次是泥巖夾層周圍，最大值達到0.176 m。隨后溫度升高,邊坡土體和支護位移均有減小的趨勢,但邊坡土體位移比支護位移要大,這種情況下土體和噴錨支護面層之間形成空隙,邊坡頂和軟弱夾層處噴射混凝土面層極易形成脫落和滑塌。

(2)凍脹期溫度最低時, 在監(jiān)測點3坡面的1/3附近, 噴射混凝土支護面層出現(xiàn)最大負彎矩(-8.824 kN·m), 在這種情況下坡面1/3附近的噴射混凝土面層極易出現(xiàn)拉裂縫。 在坡腳位置面層5/6附近, 支護體系軸力最大值為340.995 kN, 相應(yīng)此處錨桿軸力差值較大, 這種情況下, 坡腳支護體系失穩(wěn)可能性較高,安全性較低。

圖11 邊坡土體塑性區(qū)Fig.11 Plastic zones of soil in slope

(3)邊坡土體凍脹加大了邊坡土體塑性區(qū),隨著凍脹時間增大,塑性區(qū)也相應(yīng)變大,延伸到軟弱巖層中。