張建斌

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 工程概況

濟(jì)青高鐵機(jī)場(chǎng)隧道工程位于魯東地段的膠萊凹陷區(qū)，該區(qū)段褶皺、斷裂構(gòu)造不發(fā)育，總體為傾向南西的單斜構(gòu)造。隧道洞身以泥巖及泥質(zhì)砂巖為主，泥巖中夾泥質(zhì)砂巖、砂巖，具有中等膨脹潛勢(shì)，局部地段地下水發(fā)育。

在隧道施工過程中，基坑施工引起地層誘發(fā)新的裂隙，為地下水的運(yùn)移提供了有利條件，而在隧道建成以后，地下水滲入隧道兩側(cè)及仰拱地層，泥巖及泥質(zhì)砂巖就會(huì)出現(xiàn)體積膨脹，從而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的膨脹力，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。因此，有必要對(duì)隧道建成以后周邊地層浸水膨脹作用對(duì)隧道安全性的影響進(jìn)行研究。

2 膨脹土力學(xué)性質(zhì)分析

2.1 計(jì)算方法選定

含水率變化是影響膨脹土力學(xué)性質(zhì)的主要因素，目前大多數(shù)研究者對(duì)膨脹性問題的研究主要通過含水率的變化，改變土體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和摩擦角來研究膨脹問題，但是上述研究方法主要還是考慮重力場(chǎng)的作用，并不能有效地體現(xiàn)膨脹土向各個(gè)方向的膨脹力學(xué)特性。

土中含水率的變化影響了膨脹力的作用效果，因此通過瞬態(tài)滲流分析模擬區(qū)域土體內(nèi)的含水率的變化，確定膨脹土圍巖的膨脹力作用情況?？紤]到滲流問題的控制方程與溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)的控制方程在數(shù)學(xué)形式上相似，并且膨脹土吸水后產(chǎn)生體積膨脹與材料溫度升高產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)類似，所以利用溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)問題的熱膨脹特性可以很好地模擬膨脹土的膨脹特性[1-5]。

由于溫度場(chǎng)的熱膨脹性質(zhì)與膨脹土遇水膨脹的性質(zhì)的數(shù)學(xué)表述一致，通過參數(shù)換算就可借助于溫度場(chǎng)來模擬濕度場(chǎng)，通過熱-力耦合分析，從而得到土體中濕度變化時(shí)膨脹土變形受力特性[6-7]。

基于膨脹土的力學(xué)特性，決定采用溫度應(yīng)力場(chǎng)模擬膨脹土增濕產(chǎn)生的濕度應(yīng)力場(chǎng)，運(yùn)用有限差分軟件熱-力耦合模塊進(jìn)行計(jì)算[8-9]。

2.2 計(jì)算內(nèi)容

膨脹性泥巖的工程力學(xué)特性與地表水入滲相關(guān)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐對(duì)局部膨脹性泥巖隧道研究，不考慮土體填埋施作過程，主要針對(duì)隧道開挖襯砌施作完畢后，膨脹性泥巖局部(隧道邊墻及仰拱)遇水發(fā)生膨脹作用對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形的影響。主要研究膨脹性泥巖浸水膨脹出現(xiàn)在隧道邊墻及仰拱位置時(shí)，不同的膨脹力下對(duì)襯砌的影響，研究圍巖、襯砌的受力和變形規(guī)律，進(jìn)而提出針對(duì)膨脹性泥巖地層隧道在施工階段可以采取的應(yīng)對(duì)技術(shù)措施。

2.3 膨脹力的確定

基于其他類似工程實(shí)踐可借鑒的考慮，本工程具膨脹性潛勢(shì)泥巖的膨脹力確定，主要依據(jù)膨脹土黏性礦物含量、自由膨脹率、初始含水率試驗(yàn)。通過工程類比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，按照泥巖及泥質(zhì)砂巖具有中等膨脹潛勢(shì)，確定計(jì)算膨脹力為:50、100、150、200、250、300 kPa。

2.4 計(jì)算工況

選取襯砌施作及土方回填完畢的隧道進(jìn)行計(jì)算分析，取縱向計(jì)算長度3 m。因?yàn)槊魍谑┕?，隧道拱部上方采用三七灰土進(jìn)行回填，拱部以上地層不會(huì)出現(xiàn)膨脹。在下面的分析中，僅分析膨脹區(qū)分別位于隧道邊墻及仰拱處兩種工況，主要分析在膨脹力作用下隧道結(jié)構(gòu)典型位置處的應(yīng)力的變化特征，包括拱頂、拱腰、墻中、仰拱中部和兩側(cè)墻腳。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

(1)泥巖未膨脹時(shí)襯砌應(yīng)力

為了更加客觀反映泥巖局部膨脹對(duì)隧道襯砌內(nèi)力的影響，首先進(jìn)行泥巖未膨脹時(shí)隧道襯砌內(nèi)力模擬，可以得知:由于隧道埋深淺，上覆土體荷載小，且隧道結(jié)構(gòu)尺寸大，強(qiáng)度等級(jí)高，因而襯砌應(yīng)力較小。

(2)墻腰處泥巖局部膨脹襯砌內(nèi)力分析

具膨脹潛勢(shì)的泥巖地層局部浸水膨脹出現(xiàn)在隧道墻腰位置時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)不同位置處最大主應(yīng)力隨膨脹力變化曲線如圖1所示。

圖1 墻腰局部膨脹下不同位置處最大主應(yīng)力隨膨脹力變化

從圖1可以看出:隨著隧道邊墻處局部膨脹壓力的增加，仰拱中部應(yīng)力變化最大，由最初受拉狀態(tài)變化為受壓狀態(tài)，由于混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，實(shí)質(zhì)上墻腰處局部膨脹對(duì)仰拱中受力改善有利；除了拱頂處的應(yīng)力隨著膨脹力增加變化幅度很小外，其他位置都有一定響應(yīng)，以仰拱中最突出，墻中、墻腳、拱腰其次，但是對(duì)墻中影響最大，墻中隨著膨脹力的增加由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，且最大拉應(yīng)力一直增加，當(dāng)膨脹壓力為300 kPa時(shí)，其拉應(yīng)力為0.12 MPa。

(3)仰拱處泥巖局部膨脹襯砌內(nèi)力分析

具膨脹潛勢(shì)的泥巖地層局部浸水膨脹出現(xiàn)在隧道仰拱位置時(shí)，不同位置處最大主應(yīng)力隨膨脹力變化曲線如圖2所示。

圖2 仰拱局部膨脹下不同位置處最大主應(yīng)力隨膨脹力變化

從圖2可以看出:兩墻腳處最大主應(yīng)力隨膨脹力變化數(shù)值及趨勢(shì)幾乎相同，趨勢(shì)成線性增加，從趨勢(shì)上可以看出仰拱處局部膨脹對(duì)墻腳危害最大；墻腳和拱頂處隨膨脹力增加，一直處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而拱腰和墻中處一直處于壓應(yīng)力狀態(tài)；拱頂處拉應(yīng)力和墻中壓應(yīng)力隨膨脹力增加均增加，但是增幅略小。在仰拱下地層出現(xiàn)浸水膨脹時(shí)，墻腳處受影響最大，其次是拱頂部位，拉應(yīng)力最大值也僅有0.31 MPa。

3 避免隧道外側(cè)出現(xiàn)膨脹的工程技術(shù)措施

通過局部浸水膨脹對(duì)整體襯砌結(jié)構(gòu)的影響計(jì)算分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，針對(duì)隧道周邊地層局部浸水膨脹對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，在施工中可以采取相關(guān)合適的工程措施以減輕或避免襯砌出現(xiàn)過大變形和產(chǎn)生過大應(yīng)力。

3.1 地表防滲

加強(qiáng)對(duì)地表水的防治，通過回填不透水三七土，修建溝槽引離地表水，并對(duì)明顯的節(jié)理、裂隙進(jìn)行注漿充填，截?cái)嗟乇硭虻叵聺B流的通道，避免地表水滲入地層。

3.2 隧道周邊縱向分區(qū)分隔處理

采用袖閥管對(duì)膨脹地層隧道變形縫、施工縫位置進(jìn)行注漿，形成隔水注漿墻，沿隧道縱向進(jìn)行分區(qū)排水，施工縫處分隔墻寬度1.0 m，變形縫處寬2 m，橫向處理深度自圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外3.0 m，豎向深度為回填設(shè)計(jì)高程至基坑底部以下4 m范圍，仰拱底部在仰拱施工前施作。通過排水分區(qū)設(shè)置，膨脹巖即使出現(xiàn)病害，也僅僅出現(xiàn)在局部地段，將病害限制在一個(gè)小的范圍內(nèi)。分區(qū)排水示意如圖3所示。

圖3 分區(qū)排水示意

注漿采用袖管后退式注漿的方法進(jìn)行，漿液以滲透-劈裂方式擴(kuò)散，擴(kuò)散半徑1～1.5 m，每個(gè)施工單位注漿范圍，基坑左右側(cè)沿帶寬各設(shè)置2個(gè)注漿孔，豎向孔間距1 m，基坑內(nèi)基底設(shè)置單排注漿孔，孔間距1.5 m，注漿檢查孔每10 m設(shè)置3個(gè)，用于檢查注漿效果。

(1)鉆孔

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求放線定位，用竹簽做好標(biāo)記。用地質(zhì)鉆機(jī)就位，調(diào)整鉆桿垂直度，鉆孔施工過程中用優(yōu)質(zhì)泥漿，如膨潤土造漿護(hù)壁，鉆孔孔徑為90 mm。

(2)插入袖閥管

袖閥管外徑50 mm，每節(jié)33 cm，注漿管設(shè)6個(gè)直徑8 mm的溢漿孔，用抗爆破壓力4.5 MPa的橡膠套包裹溢漿孔，漿液可以通過溢漿孔進(jìn)入底層，而底層中的水和顆粒難以進(jìn)入注漿管中，從而達(dá)到單向閥的作用[10-11]。袖管安裝完成后采用水泥砂漿進(jìn)行封孔固管止?jié){。

(3)注漿

連接注漿管，注漿由下向上分段進(jìn)行。漿液采用普通水泥漿，水灰比0.8～1∶1。注漿時(shí)，注漿壓力控制2～3 MPa，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有地面冒漿或壓力驟升時(shí)停止注漿，并查明原因，若為漿液注滿即可進(jìn)行下一孔施工。

注漿采用跳孔法施工，施工時(shí)隔1孔施工，相鄰兩孔注漿時(shí)間間隔不小于48 h，待先期施工的注漿體具有一定強(qiáng)度后返回進(jìn)行剩余孔施工。注漿施工時(shí)注意做好標(biāo)記，并編好孔號(hào)，以防遺漏。

3.3 結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)措施

為防止后期膨脹引起的不利變形，如果已經(jīng)通過地質(zhì)勘查明確了膨脹土的位置，在此處襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)該局部加強(qiáng)。對(duì)具膨脹性巖地層不應(yīng)按一般常規(guī)方法判定其圍巖類別，應(yīng)視具體情況綜合判斷，適當(dāng)降低圍巖類別，以便從工程結(jié)構(gòu)上予以加強(qiáng)[12]。

3.4 監(jiān)控量測(cè)措施

針對(duì)局部膨脹區(qū)域除進(jìn)行收斂變形等常規(guī)項(xiàng)目外，應(yīng)結(jié)合圍巖壓力、襯砌內(nèi)力以及圍巖內(nèi)部多點(diǎn)位移計(jì)等項(xiàng)目進(jìn)行綜合監(jiān)控，全面了解圍巖變形和結(jié)構(gòu)受力情況；對(duì)監(jiān)測(cè)的圍巖壓力可以和現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)試驗(yàn)初步測(cè)得膨脹壓力進(jìn)行對(duì)比，提前采取結(jié)構(gòu)措施。

4 結(jié)論

通過分析膨脹圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，采用溫度升高物體膨脹的熱力學(xué)效應(yīng)原理，結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)隧道不同部位局部膨脹對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，得到主要結(jié)論如下:

(1)處于局部膨脹區(qū)域的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中明顯，且隨著膨脹力增加幾乎呈線性增加，但應(yīng)力值較小?？拷蛎泤^(qū)處的結(jié)構(gòu)和拱頂部位受影響較大，其他位置處的應(yīng)力受影響較小。由于結(jié)構(gòu)截面尺寸大及材料強(qiáng)度高，在隧道周邊局部浸水膨脹時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響是有限的，隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

(2)針對(duì)泥巖及泥質(zhì)砂巖的膨脹特性，結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，提出了相應(yīng)的工程措施，即重視勘察和室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，地表防滲，縱向分區(qū)分隔處理，改善或加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位，發(fā)揮監(jiān)控量測(cè)主導(dǎo)作用。