軟巖軟化性和膨脹特性對隧道支護結構受力影響分析

華柯強 陸泌鋒

(1.中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 211800；2.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

1 概述

紅層軟巖在西南地區(qū)具有廣泛的分布，其遇水軟化特性和膨脹特性對該地區(qū)隧道施工及長期穩(wěn)定性造成了嚴重影響。不少學者對此進行了詳細研究，孫小明等[1]根據(jù)現(xiàn)場實踐和室內(nèi)試驗提出了膨脹巖的判別方法和分級標準；張麗敏[2]和蘇航等[3]則從宏觀和微觀出發(fā)，從崩解、膨脹和軟化三方面了解了軟巖的水理特性，并認為其三軸壓縮破壞形態(tài)以壓裂片狀剝落和剪破壞為主；李海燕[4]、徐光政[5]、陳軍等[6]也對軟巖地區(qū)的隧道、路基等施工和支護提出了建議。本文通過室內(nèi)試驗得到紅層軟巖的軟化系數(shù)和最大平均膨脹力，并以應力釋放的方式將膨脹力施加在支護結構上，以研究軟巖的膨脹特性對隧道支護結構的影響。

2 工程概況

研究區(qū)軟巖代表地層為白堊系下統(tǒng)普昌河組(K1p)，主要分布在大理Ⅱ段板凳山隧洞的瓦窯坡處。研究區(qū)地層為白堊系下統(tǒng)普昌河組(K1p)紫紅色粉砂質泥巖，為Ⅴ類圍巖，其縱剖面圖見圖1。該段隧道埋深在80 m～250 m。據(jù)現(xiàn)場勘察資料顯示：該段巖石強度為92%泥巖(Rb=8 MPa～12 MPa)夾8%砂巖(Rb=18 MPa～23 MPa)，中層為主夾薄層狀；洞軸線與巖層走向交角為75°～85°，傾角24°～62°。

3 研究區(qū)軟巖遇水膨脹軟化特性研究

3.1 遇水膨脹特性

根據(jù)水電水利工程巖石試驗規(guī)程，將同一鉆孔中K1p地層粉砂質泥巖制成φ50 mm×50 mm的試樣，用YYP-50巖石膨脹力試驗儀測定其膨脹力。根據(jù)試驗記錄得到K1p地層粉砂質泥巖3個試樣的 最大膨脹力的最大值分別為2 197.1 kPa,1 994.9 kPa和1 899.8 kPa，平均值為2 030.6 kPa，具有強膨脹性；并根據(jù)試驗結果繪制出膨脹力與浸水時間的關系曲線，見圖2。由圖2可知，試樣膨脹力曲線可分為3個階段：

1)劇烈加速膨脹階段(OA段)；2)減速膨脹階段(AB段)；3)穩(wěn)定膨脹階段(BCD段)。

在OA段，試樣表層微裂隙發(fā)育，與水接觸后，黏土礦物迅速吸水，體積迅速膨脹；AB段，試樣表層一定范圍的黏土礦物吸水膨脹完成，封閉表層微裂隙，內(nèi)部黏土礦物吸水過程由外層的沿裂隙通道直接吸水變?yōu)檠貛r體孔隙吸水，吸水過程減緩，故膨脹緩慢；BCD段，此時試樣黏土礦物吸水基本完成，在軸向荷載作用下，部分黏土礦物發(fā)生變形，封閉部分大開孔隙，使得膨脹力略微減小，直至最終穩(wěn)定。

3.2 遇水軟化特性

軟巖的軟化性是指巖石浸水后力學強度降低的特性，一般用軟化系數(shù)表征。表1為K1p地層粉砂質泥巖試樣的單軸壓縮試驗結果，由表1可知：粉砂質泥巖飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強度為5.30 MPa，干燥狀態(tài)下的單軸抗壓強度為31.76 MPa，其軟化系數(shù)為0.17，說明該試樣軟化系數(shù)極低，抗軟化性很弱，遇水極易發(fā)生軟化和破壞，其穩(wěn)定性差。

表1 單軸壓縮試驗結果表

4 軟巖遇水膨脹軟化對隧道支護結構影響分析

4.1 模型建立

以隧道洞軸線方向為X軸，長度為100 m，以垂直于洞軸線的水平方向為Y軸，寬度為200 m，以鉛垂方向為Z軸，取高程1 850 m至實際地表，計算模型見圖3a)。取隧道中間位置橫截面S作為典型觀測面，在橫截面S布置8個監(jiān)測點，分別為拱頂A，拱腰B和C，洞底D，以及洞趾E，F(xiàn)，G，H，見圖3b)。

隧洞支護中以Cable單元模擬系統(tǒng)錨桿，以Shell單元模擬混凝土噴層、底板混凝土及鋼拱架的共同作用，其等效彈性模量通過式(1)進行等剛度換算。隧洞支護結構圖見圖4。

EI=E1I1+E2I2

(1)

其中，E,E1,E2分別為Shell單元、C25混凝土、鋼拱架的彈性模量；I,I1,I2分別為單位長度Shell單元、C25混凝土、鋼拱架的截面慣性矩。

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗及現(xiàn)場勘測，研究區(qū)物理力學參數(shù)取值及支護材料參數(shù)取值如表2,表3所示。

表2 圍巖物理力學參數(shù)

表3 支護材料力學參數(shù)

4.3 計算結果分析

圖5為隧道支護結構的典型截面在天然及飽水兩種狀態(tài)下的彎矩分布圖。從圖5可看出，天然狀態(tài)下，支護結構的拱頂、拱肩和拱腰部位的彎矩分布較均勻，彎矩大小為0 N·m～5×104N·m，結構的支護作用較明顯；在飽水狀態(tài)下，圍巖產(chǎn)生軟化和膨脹作用，支護結構的拱頂、拱肩和拱腰部位的彎矩分布均勻程度比天然狀態(tài)下稍差，彎矩大小為0 N·m～-2×105N·m。隧道兩側洞趾部位存在彎矩集中現(xiàn)象，且彎矩值和方向變化范圍均較大，天然狀態(tài)下，最大可達5.34×105N·m，而飽水狀態(tài)下最大值約為1.33×106N·m。

表4為支護結構剖面上A～H8個監(jiān)測點的彎矩值。由表4可知，隧道圍巖在飽水狀態(tài)下發(fā)生軟化和膨脹，在二者的共同作用下，支護結構上各監(jiān)測點處的彎矩值相對于天然狀態(tài)下均有明顯的增加，且越向隧洞下側，彎矩值增加得越大，洞趾處的彎矩值是天然狀態(tài)下的2倍～4倍，這會對支護結構造成很大威脅，長期作用下會使支護結構產(chǎn)生破壞，需引起重視。

表4 考慮膨脹力前后支護結構彎矩值 N·m

5 結語

1)研究區(qū)紅層軟巖軟化系數(shù)為0.17，抗軟化性弱，遇水易發(fā)生軟化。

2)通過膨脹力試驗發(fā)現(xiàn)，紅層軟巖膨脹力變化曲線可分為劇烈加速膨脹階段、減速膨脹階段和穩(wěn)定膨脹階段，具有強膨脹性。

3)隧道圍巖在飽水狀態(tài)下，受巖體軟化和膨脹力的共同影響，越靠近洞趾支護結構上彎矩值增加越明顯，對支護結構的威脅很大。