王 碩， 張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031)

膨脹巖，不僅具有吸水膨脹-失水收縮的特性，且其強度也會隨著含水量的增加而出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象[1-2]。所以在膨脹巖地層中TBM開挖隧道時，圍巖受到擾動，富水地層的地下水通過裂隙流到管片背后，沿著隧道管片縱向流動到貧水地層，再從洞周向各方向擴散，使膨脹巖吸水膨脹產(chǎn)生變形，壓迫支護結(jié)構(gòu)從而對管片產(chǎn)生膨脹力。這樣容易引起隧道發(fā)生過大變形等問題，嚴重影響工程的安全和穩(wěn)定性[3-4]。

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧洞穿越區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越膨脹巖地層，富水性好，施工面臨著膨脹巖遇水膨脹和巖體軟化，因此膨脹巖TBM施工是急待研究的[5-7]。

1 工程概況

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道樁號0+000～1+620段，該段隧道埋深自南向北逐漸增加，最深560m，圍巖為西瓦利克下段(LS)砂巖、泥巖互層，砂巖、泥巖約各占50 %，位于地下水位以下，洞壁潮濕，沿結(jié)構(gòu)面有滲水或滴水。砂巖集中段Ⅲ級圍巖約占70 %，Ⅳ級圍巖約占25 %，局部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎洞段為Ⅴ級圍巖，約占5 %；泥巖集中段Ⅳ級圍巖約占50 %，Ⅴ級圍巖約占50 %。其中泥巖為強膨脹巖，自由膨脹率Fs=41%～101%，對隧道的施工和后續(xù)使用影響很大[8-9]。

引水隧道斷面型式為圓形，采用TBM掘進，全長采用預(yù)制混凝土管片襯砌，襯砌內(nèi)直徑為4.2m，厚度為0.3m，豆礫石填充層厚度為0.13m，其橫斷面如圖1所示。

圖1 引水隧道橫斷面(單位：m)

2數(shù)值計算

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型中，圍巖膨脹前后都采用摩爾-庫倫塑性本構(gòu)模型，豆礫石填充層和管片支護結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。管片內(nèi)直徑為4.2m，厚0.3m，豆礫石層內(nèi)直徑為4.8m，厚0.13m，圍巖、豆礫石層和管片物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計算參數(shù)和計算工況

本次計算共設(shè)置了三種邊界條件[14-16]：

(1)位移邊界條件、孔隙水壓邊界和應(yīng)力邊界。位移邊界條件：在初始時刻，左右邊界設(shè)置水平位移約束，底部設(shè)置水平和豎向位移約束，前后設(shè)置水平位移約束，頂部不施加約束。

(2)孔隙水壓邊界：在初始時刻，左右邊界設(shè)置孔隙水壓邊界。預(yù)設(shè)水位線于隧道底部以下15m，水位線以上孔隙水壓為負值。

(3)應(yīng)力邊界：在模型頂面施加相應(yīng)的均布荷載，模擬不同工況下的埋深。

2.3 計算工況方案設(shè)置

模型隧道開挖方式采用全斷面開挖來模擬TBM的掘進過程，當隧道掘進至離模型隧道口縱向深度10m時，通過激活孔隙流邊界，向隧道洞周圍巖滲流地下水，并模擬不同埋深下圍巖吸水膨脹過程，研究TBM隧道開挖時圍巖膨脹的變形過程和失穩(wěn)規(guī)律以及支護結(jié)構(gòu)的受力特征，具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

2.4 計算結(jié)果分析

膨脹巖TBM隧道掘進支護完成后，圍巖吸水膨脹會發(fā)生進一步的變形。本節(jié)主要研究不同埋深下，膨脹巖吸水膨脹對TBM隧道圍巖變形產(chǎn)生的影響。選取模型中部，距離隧道口10m的斷面在不同工況下的圍巖變形，該斷面的圍巖變形隨飽和度變化曲線如圖2～圖5、表3所示。

表3 目標斷面膨脹前后不同工況的圍巖變形統(tǒng)計 cm

通過比較分析可知：

(1)在TBM掘進支護完成后，因為開挖擾動引起應(yīng)力重分布使得圍巖發(fā)生一定的變形，變形最大發(fā)生在拱頂處的沉降，其次是仰拱的隆起，拱腰向內(nèi)的水平收斂最小，且隧道圍巖變形都隨著埋深的增加而增加。

(a)膨脹前斷面豎向位移

(b)膨脹前斷面水平位移

(c)膨脹后斷面豎向位移

(d)膨脹后斷面水平位移圖2 工況1目標斷面圍巖變形云圖(單位:m)

圖3 拱頂沉降量變化曲線(單位：cm)

圖4 邊墻水平位移量變化曲線(單位：cm)

圖5 仰拱隆起量變化曲線(單位：cm)

(2)地下水滲流后，洞周圍巖吸水膨脹，產(chǎn)生膨脹變形，壓迫支護結(jié)構(gòu)，使拱頂沉降量、仰拱隆起量都隨時間逐漸增加；隨著埋深的增加，拱頂沉降和仰拱隆起的改變量略微增加，差距并不明顯，說明因膨脹而產(chǎn)生的豎向變形可能受埋深的影響不大。圍巖膨脹變形在短時期內(nèi)仍未達到穩(wěn)定，說明這是一個長期過程，仍將繼續(xù)發(fā)生下去。

(3)膨脹過程中，圍巖的水平收斂值隨著時間的增加而逐漸減小；造成此現(xiàn)象的原因是，膨脹巖豎向滲透系數(shù)大于水平滲透系數(shù)，因此圍巖在豎向產(chǎn)生的膨脹變形大于水平的膨脹變形，因而膨脹巖對隧道拱頂和仰拱的膨脹力大于隧道兩側(cè)拱腰的膨脹力，使隧道兩側(cè)拱腰向外位移，從而圍巖水平收斂值隨膨脹的發(fā)生而減小。

3 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元軟件研究了埋深為50m、60m、70m、80m、100m，膨脹性泥巖的脹縮性對TBM隧道產(chǎn)生的影響，通過對隧道發(fā)生膨脹前后的圍巖變形、塑性區(qū)分布等進行比較分析，探明膨脹性泥巖TBM隧道開挖時圍巖膨脹動態(tài)的過程及失穩(wěn)特征，可得出以下結(jié)論：

(1)通過對五種工況洞周圍巖變形分析可知，在膨脹巖中，TBM隧道掘進支護完成后，隨著埋深的增加，圍巖的變形和地下水滲流膨脹后引起的變形都是隨之增加的，且最大變形都發(fā)生在拱頂處。

(2)圍巖吸水膨脹后，拱頂沉降量、仰拱隆起量都隨時間逐漸增加；且隨著埋深的增加，圍巖變形的改變量都只略微增加，說明因膨脹而產(chǎn)生的變形可能受埋深的影響不大。

(3)圍巖膨脹而產(chǎn)生的變形在短時間內(nèi)不會達到穩(wěn)定，是一個長期的過程，設(shè)計和施工時應(yīng)對膨脹產(chǎn)生的后續(xù)影響加以考慮；且因膨脹巖豎向滲透系數(shù)大于水平滲透系數(shù)，圍巖膨脹對隧道在豎向上影響更大。

(4)圍巖吸水膨脹會影響圍巖的穩(wěn)定性，增大塑性區(qū)的分布范圍和深度，且隧道埋深越大，圍巖膨脹對洞周塑性區(qū)所造成的影響越大，最大塑性應(yīng)變基本都分布在隧道拱腰兩側(cè)。