楊東海周子揚(yáng)莫雁冰董方晏陳治宇

1.廣西南崇鐵路有限責(zé)任公司，南寧 530021；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031

巖土的膨脹性是指其體積隨含水量的增減而脹縮的特性［1］，如果巖土的外部受到約束，將產(chǎn)生一種內(nèi)應(yīng)力即膨脹力［2］。盾構(gòu)隧道在膨脹地層施工時(shí)將破壞周圍地層造成更多裂隙，從而導(dǎo)致巖土體中的含水率改變，地層產(chǎn)生不規(guī)律的局部膨脹，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的膨脹壓力［3］。如何確定膨脹荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，減小局部膨脹荷載對(duì)管片結(jié)構(gòu)的不良影響，是膨脹性巖土地層下盾構(gòu)隧道施工參數(shù)確定的關(guān)鍵。

在膨脹土研究方面。1972年Grob基于Huder與Amberg的研究提出了Huder-Amberg一維本構(gòu)模型，并得到世界范圍的認(rèn)可與廣泛使用［4-5］。Anagnostou［6］提出的膨脹巖土本構(gòu)模型，考慮了滲流條件，可計(jì)算隧道不同部位隨時(shí)間的膨脹變化?？妳f(xié)興等［7］從溫度場(chǎng)出發(fā)，提出采用濕度應(yīng)力場(chǎng)理論作為膨脹巖土的本構(gòu)模型，給膨脹巖土本構(gòu)關(guān)系的研究提供了關(guān)鍵性的思路。

王清州等［8］基于河北承德地區(qū)泥巖重塑土，對(duì)圓柱體試件進(jìn)行軸向和環(huán)向的膨脹力測(cè)試，研究了膨脹力與土體干密度和含水率的關(guān)系。劉述麗等［9］通過(guò)對(duì)不同膨脹性試樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，揭示了裂隙充分發(fā)展的強(qiáng)度指標(biāo)隨自由膨脹率變化的關(guān)系。呂海波等［10-11］對(duì)南寧地區(qū)膨脹土進(jìn)行了三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明膨脹土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低，并最終趨于穩(wěn)定。

隧道工程膨脹地層研究方面，陳有亮等［12］基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，考慮圍巖的膨脹應(yīng)力與剪脹的共同作用，探究了膨脹應(yīng)力及剪脹對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響規(guī)律。方勇等［2-3，13］分別對(duì)局部膨脹、環(huán)狀膨脹及下伏膨脹巖層引起的附加膨脹荷載進(jìn)行理論推導(dǎo)得出對(duì)應(yīng)計(jì)算公式，結(jié)合數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析了不同形式膨脹荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力。張藝騰等［14］采用溫度場(chǎng)模擬膨脹黃土增濕產(chǎn)生的濕度應(yīng)力場(chǎng)，分析了局部膨脹對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。

從現(xiàn)有研究中可以發(fā)現(xiàn)，在膨脹機(jī)理與膨脹巖土本構(gòu)關(guān)系方面的理論研究已經(jīng)較為成熟?，F(xiàn)階段隧道工程中對(duì)膨脹巖土的研究主要聚焦于圍巖的變形和隧道結(jié)構(gòu)受膨脹荷載影響方面，對(duì)于如何削減膨脹荷載的影響、保護(hù)結(jié)構(gòu)安全方面的研究較為缺乏。據(jù)此，本文以新建南寧至崇左鐵路留村隧道工程為依托，建立數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)熱-力耦合溫度場(chǎng)等效模擬濕度場(chǎng)變化產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，分析注漿層厚度變化對(duì)地層膨脹作用的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 工程概況

留村隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng)3 920 m，隧道洞身主要穿越中風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖以及含黏性土圓礫地層。其中泥巖地層具有南寧地區(qū)的典型膨脹性質(zhì)。

盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層裝配式管片襯砌。管片外徑12.4 m，內(nèi)徑11.3 m，厚55 cm，幅寬2 m。管片結(jié)構(gòu)采用C50高強(qiáng)度混凝土，全環(huán)分為9塊，采用1+2+6的分塊形式。隧道斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 隧道斷面

1.2 模型建立

選取隧道穿越南寧地區(qū)典型膨脹性泥巖地層的斷面（DK6+140）作為計(jì)算斷面。隧道上覆地層從上至下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥巖以及泥質(zhì)粉砂巖。隧道開挖面上部為泥質(zhì)粉砂巖、下伏膨脹性的中風(fēng)化泥巖地層。隧道埋深36.09 m，地下水位在地面以下9.03 m處。地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)剖面（單位：m）

采用FLAC 3D軟件，根據(jù)斷面地質(zhì)剖面信息建立有限元計(jì)算模型。根據(jù)圣維南原理，模型邊界距隧道的距離取隧道直徑的3~4倍，模型尺寸為80.00 m×20.00 m×82.29 m。模型前后左右以及底面邊界施加法向約束。假設(shè)巖土體為均質(zhì)各向同性材料，使用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型；襯砌、注漿圈視為彈性實(shí)體，采用胡克彈性本構(gòu)模型。

以注漿層厚度0.10、0.15和0.20 m的情況分別建立計(jì)算模型。對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)下部膨脹性泥巖地層考慮膨脹范圍1 m及2 m的工況分別劃分膨脹區(qū)域。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

1.3 工況設(shè)置

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，隧道沿線區(qū)域中風(fēng)化泥巖自由膨脹率δ在37%~71%，平均孔隙比為0.515。通過(guò)孔隙比可大致推算地層從干燥狀態(tài)吸水至天然含水時(shí)的體積膨脹率δ0最大約為34%（巖土孔隙由水填充計(jì)算而來(lái)）。巖土吸水膨脹規(guī)律為

式中：?為巖土體的體積膨脹率。

由式（1）計(jì)算得到?的理想狀態(tài)大致取值范圍是3%~37%。

據(jù)此設(shè)計(jì)18組計(jì)算工況，具體內(nèi)容為

1）在地層膨脹范圍內(nèi)取線膨脹率為3%、6%與9%。體積膨脹?與線膨脹ε滿足

由式（2）計(jì)算出膨脹地層的體積膨脹率為9.3%、19.1%與29.5%。

2）注漿圈厚度h取0.10、0.15、0.20 m。

3）隧道下部膨脹地層厚度H分別取1 m與2 m。

計(jì)算中膨脹巖土采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，土體的膨脹應(yīng)變用體積力來(lái)模擬［3］，在FLAC 3D軟件中通過(guò)設(shè)置線性熱膨脹系數(shù)αt與溫差ΔT兩個(gè)參數(shù)，控制巖土體的膨脹。計(jì)算公式為

考慮到膨脹巖土在吸水膨脹后會(huì)有軟化效應(yīng)，巖土體黏聚力、彈性模量和屈服強(qiáng)度指標(biāo)都將有一定程度的衰減［15］。根據(jù)文獻(xiàn)［9］可知，膨脹巖土體的黏聚力隨著巖土體自由膨脹率的增大而減小，但是內(nèi)摩擦角變化不大。由此引入公式

式中：C'為軟化后的巖土黏聚力；C0為初始的巖土黏聚力。

根據(jù)彈性理論，室內(nèi)測(cè)得的膨脹應(yīng)力與膨脹應(yīng)變的關(guān)系公式［13］為

式中：σp為膨脹應(yīng)力，ν為膨脹土泊松比。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果［16-17］，自由膨脹率在60%左右，線膨脹ε達(dá)到1%時(shí)將產(chǎn)生50 kPa左右的膨脹應(yīng)力，帶入式（5）中近似求得軟化之后的巖土體彈性模量為3.75 MPa。泊松比在計(jì)算中視為常量。數(shù)值計(jì)算中材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4，分別提取各個(gè)工況中隧道中軸線-30~30 m內(nèi)每5 m間隔的地表位移與隧道底部地層位移數(shù)據(jù)。選取注漿層厚0.1 m的工況進(jìn)行分析。不同膨脹地層厚度與不同線膨脹率下地層位移分布見(jiàn)圖5。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

圖5 0.1 m厚注漿層工況地層位移分布

由圖5可知：

1）對(duì)于隧道底部地層位移，在膨脹荷載的作用下，隧道中軸線產(chǎn)生向上的位移，管片結(jié)構(gòu)底部有向上拱起的趨勢(shì)。由于管片剛度遠(yuǎn)大于周圍地層剛度，膨脹巖層應(yīng)變向周圍地層釋放，此時(shí)靠近膨脹區(qū)域地層產(chǎn)生向下位移。隨著膨脹應(yīng)變的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律相似，變形幅度隨著膨脹性增強(qiáng)而同步增大；同時(shí)膨脹范圍的擴(kuò)大導(dǎo)致地層變形加劇。在ε=9%，H=2 m工況下位移達(dá)到最大，約2.5 mm，地層沉降與隆起變形位移差近3.5 mm。

2）對(duì)于地面沉降而言，在膨脹荷載的影響下地面整體處在向上隆起的狀態(tài)，隆起幅度在隧道中軸線±5 m左右達(dá)到最大。隨著膨脹率與膨脹范圍的增大，地表位移明顯增大，在ε=9%，H=2 m的工況達(dá)到最大，此時(shí)的地面隆起約1.8 mm。對(duì)于此工程來(lái)說(shuō)，隧道埋深較大，土體局部膨脹產(chǎn)生的地面位移較小，可不作為施工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。

壁后注漿漿液能有效填充盾尾間隙，達(dá)到彌補(bǔ)地層損失的作用［18］。本文選取膨脹率為9%，膨脹地層厚度2 m作為計(jì)算工況，通過(guò)設(shè)置不同注漿層厚度，探討壁后注漿對(duì)緩解地層變形的作用。

ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下地層位移分布見(jiàn)圖6。當(dāng)注漿層厚度較小時(shí)，隨著注漿層厚度的增加能有效減小隧道周圍地層的變形。當(dāng)注漿層厚度從0.10 m增至0.15 m時(shí)，隧道底部中軸位置位移從2.37 mm降至0.87 mm，減小63.3%；地表位移在±5 m處削弱最大，最大減小約45.1%。注漿層厚度增至0.20 m時(shí)，地層變形緩解效果減弱。

圖6 ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下地層位移分布

對(duì)于地表沉降的削弱同樣如此，注漿層厚度從0.10 m增長(zhǎng)至0.15 m時(shí)，緩解地層變形效果明顯。隨著注漿層再次增厚，緩解地層變形的效果并未增強(qiáng)。在注漿層厚度為0.20 m的工況中，部分位置地表位移反而大于注漿層厚度為0.15 m的工況，說(shuō)明注漿層厚度大于0.15 m時(shí)，厚度與地表位移相關(guān)性減弱。

2.2 結(jié)構(gòu)受力分析

結(jié)構(gòu)受力方面主要考慮不同注漿層厚度下管片結(jié)構(gòu)外部徑向受力以及荷載作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下襯砌外部徑向壓力分布見(jiàn)圖7。橫坐標(biāo)表示管片環(huán)向位置，以隧道拱頂處為0°起始位置，0°~180°為隧道右側(cè)，180°~360°為隧道左側(cè)；縱坐標(biāo)為管片外部所受徑向壓力與不考慮注漿層保護(hù)時(shí)所受徑向壓力的比值。

圖7 ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下襯砌外部徑向壓力分布

由圖7可知，注漿層可一定程度上分擔(dān)隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受的荷載，減小管片徑向所受壓力?？紤]注漿層保護(hù)后，管片環(huán)向徑向壓力減小范圍大致在0~35%，在45°、135°、225°和315°位置（隧道拱肩與拱腳），徑向壓力的減小幅度更大。相反在拱頂、拱底及拱腰位置，變化相對(duì)較小。管片所受的外部徑向壓力隨注漿層厚度的增大進(jìn)一步減小，0.10 m注漿層厚度時(shí)徑向壓力比在0.72~0.99，0.15 m注漿層厚度時(shí)徑向壓力比在0.66~0.95，0.20 m注漿層厚度時(shí)徑向壓力比在0.63~0.95。可以推測(cè)隨著注漿層厚度的持續(xù)增大管片受到的徑向壓力逐漸減小，但注漿層對(duì)膨脹荷載的削弱作用將逐步減小。

ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下膨脹附加荷載見(jiàn)圖8。由圖8（a）可知，在膨脹荷載的作用下，管片下部150°~210°內(nèi)產(chǎn)生附加正向彎矩，在管片105°~150°與210°~255°內(nèi)產(chǎn)生附加負(fù)向彎矩；管片上部規(guī)律相似，只是變化幅度相對(duì)較小。由圖8（b）可知，膨脹荷載施加后管片環(huán)向軸力增大，軸力的增大效果在管片拱肩與拱腳處更加明顯。隨著注漿層厚度的增加，隧道附加彎矩、附加軸力變化規(guī)律一致。最大附加彎矩從9.77 kN·m變化為6.15 kN·m再到7.95 kN·m，最大附加軸力從-23.5 kN變化為-14.13 kN再到-0.12 kN。可見(jiàn)注漿層可以對(duì)附加彎矩軸力產(chǎn)生一定的削弱，但是削弱效果不會(huì)隨注漿層的持續(xù)增大而增大。

圖8 ε=9%，H=2 m工況不同注漿層厚度下膨脹附加荷載

過(guò)厚的注漿層緩解地層變形、削弱管片結(jié)構(gòu)受力的效果并不明顯；而注漿量的提高增加了施工成本，加劇注漿期上浮錯(cuò)臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn)，工程中同步注漿并不是注漿量越多越好。

3 結(jié)論

本文針對(duì)多種注漿層厚度，在不同膨脹性能、不同膨脹地層厚度工況下，對(duì)隧道斷面地面沉降、管片底部地層位移及結(jié)構(gòu)附加受力做了分析。得出以下結(jié)論：

1）增大注漿層厚度能有效緩解隧道周圍土體的變形，注漿層厚度從0.10 m增大至0.15 m，使周圍地層位移峰值減小63.3%；同時(shí)將減小隧道周邊地表約45.1%的沉降。

2）注漿層厚度的增大可以削弱管片結(jié)構(gòu)外側(cè)荷載，并減小地層膨脹作用產(chǎn)生的額外荷載。

3）隨著地層膨脹率和膨脹地層厚度的增大，地層變形將增大，管片結(jié)構(gòu)受到附加荷載也將增大。隨著注漿層厚度的增大，注漿層緩解地層變形與減小附加荷載的效果不是線性增加的，注漿層厚度較大時(shí)，厚度繼續(xù)增大將不再起作用。

4）實(shí)際施工時(shí)可根據(jù)地層勘探結(jié)果，對(duì)于膨脹性較強(qiáng)，膨脹地層厚度較大的地段采用適當(dāng)增加注漿量的方式減小膨脹巖土對(duì)隧道的危害。