基于荷載結(jié)構(gòu)法的隧道微膨脹性圍巖二次襯砌受力安全性研究

劉大雙，趙海霖

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

膨脹性巖土是一種特殊巖體，含有大量親水礦物，且對(duì)溫度變化十分敏感，具有吸水膨脹，失水收縮的特性，且其強(qiáng)度也會(huì)隨著含水量的增加而出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象[1-2],長(zhǎng)期持續(xù)性體積形變所導(dǎo)致的累計(jì)變形量對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)危害明顯，已成為隧道施工建設(shè)的重要隱患。因此，對(duì)膨脹性圍巖隧道開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行研究，對(duì)隧道工程具有重要的實(shí)際意義。

在膨脹巖地層中開挖隧道時(shí),圍巖受到擾動(dòng),富水地層的地下水通過裂隙流到襯砌背后,從洞周向各方向擴(kuò)散,使膨脹巖吸水膨脹產(chǎn)生變形,壓迫支護(hù)結(jié)構(gòu)從而產(chǎn)生膨脹力，這樣容易引起隧道發(fā)生過大變形等問題,嚴(yán)重影響工程的安全和穩(wěn)定性[3-4]。較早提出土體膨脹對(duì)隧道影響問題的是Wiesmann[5]，研究了瑞士Hauenstein隧道由于膨脹土的膨脹引起的隧道變形等問題;Anagnostou[6]將膨脹巖土作為彈塑性材料，并采用水力學(xué)耦合分析，模擬了膨脹土地層的膨脹對(duì)隧道的影響。張志強(qiáng)、關(guān)寶樹等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程實(shí)例的統(tǒng)計(jì)，針對(duì)膨脹性圍巖段公路隧道施工的不穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[7]；李化云等基于彈性力學(xué)及疊加原理，推導(dǎo)了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)徑向壓力及位移的膨脹壓力解析解[8]；劉佳星分析了荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法兩種隧道襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，并采用地層結(jié)構(gòu)法建立數(shù)值模型，分析膨脹土地層隧道結(jié)構(gòu)受力[9]；吳順川等基于Noorany修正膨脹本構(gòu)建立數(shù)值計(jì)算模型，采用FLAC軟件對(duì)隧道二次襯砌的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析[10]；滕飛通過對(duì)淺埋大跨膨脹土隧道——呈貢隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，總結(jié)了二次襯砌應(yīng)力發(fā)展和洞身變形規(guī)律，結(jié)合數(shù)值分析，得出位移—時(shí)間曲線，確定了二次支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)[11]；潘澤球，李宏哲，程曙光等對(duì)膨脹巖段的隧道采用分層支護(hù)的方法，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了二次襯砌的最佳施作時(shí)間[12-14]。張?zhí)鞂毜柔槍?duì)馬嶺頭隧道因膨脹性土體導(dǎo)致襯砌開裂，結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析了二襯軸力和彎矩變化，給出了相應(yīng)的整治意見[15]；趙峰等依托大華嶺特長(zhǎng)隧道應(yīng)用彈塑性模型對(duì)膨脹巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，確定了二次襯砌應(yīng)力的安全范圍[16]。

以上研究側(cè)重于概述膨脹巖對(duì)隧道的影響或多為研究強(qiáng)膨脹巖下隧道二次襯砌受力情況。本文基于荷載結(jié)構(gòu)法結(jié)合ANSYS數(shù)值分析方法，對(duì)深埋隧道的微膨脹性圍巖二次襯砌受力做了研究，評(píng)估二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力安全性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化。

1 工程概況

某隧道為山西省內(nèi)鐵路雙洞單線隧道(既有線隧道)，線間距30 m。隧道斷面分為底板型與仰拱型。邊墻襯砌厚度為30～40 cm，底板厚度為30 cm，仰拱厚度為30～45 cm。結(jié)構(gòu)凈寬5.25 m，凈高7.21 m。隧道縱向裂縫發(fā)育，經(jīng)全斷面掃描局部拱頂存在下沉掉塊，水溝水平擠壓現(xiàn)象明顯，病害嚴(yán)重段靠近斷層、向斜、采空區(qū)等特殊地質(zhì)構(gòu)造，地下水補(bǔ)給條件較好，自貫通以來病害發(fā)展也是集中在斷層、向斜等地下水發(fā)育部位。但同時(shí)病害又在多種地層中出現(xiàn)，包括灰?guī)r、泥灰?guī)r和膏溶角礫巖等，隧道穿越的含石膏地層，既不是典型的石膏巖，也達(dá)不到強(qiáng)膨脹巖、極軟巖或強(qiáng)腐蝕巖的判定標(biāo)準(zhǔn)，不存在大范圍的高壓地下水條件。在設(shè)計(jì)支護(hù)階段，未考慮膨脹壓力的影響，通過對(duì)該既有線隧道病害段進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)位布設(shè)，數(shù)據(jù)采集及分析，發(fā)現(xiàn)圍巖具有微膨脹性，會(huì)產(chǎn)生膨脹壓力，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，因此，通過數(shù)值模擬計(jì)算來校核該設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)下二次襯砌的安全性是極其有必要的。

2 基于荷載結(jié)構(gòu)法的有限元解法

2.1 荷載結(jié)構(gòu)法

荷載結(jié)構(gòu)法將圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的作用簡(jiǎn)化為荷載作用于結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。采用荷載結(jié)構(gòu)法的數(shù)值計(jì)算基本假定如下:

(1)將隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算視為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。

(2)假定襯砌為小變形彈性梁，襯砌為足夠多個(gè)離散直梁?jiǎn)卧?/p>

(3)用彈簧單元模擬圍巖和結(jié)構(gòu)的相互作用，彈簧單元只能承受壓力，不承受拉力。

(4)按照局部變形理論確定彈性抗力。

2.2 有限元數(shù)值解法

建立有限元模型。襯砌采用梁?jiǎn)卧狟eam3進(jìn)行模擬，地層圍巖采用彈簧單元Combin14進(jìn)行[17],在模型仰拱中部添加水平位移約束，圍巖壓力通過轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力形式進(jìn)行施加，膨脹壓力通過Pressure施加，考慮結(jié)構(gòu)重力，重力加速度取9.81 m/s2,模擬工況時(shí)計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

(a)劃分單元施加重力與環(huán)向膨脹力

(b)疊加圍巖壓力并設(shè)置地層彈簧

(a)劃分單元施加重力與邊墻膨脹力

(b)疊加圍巖壓力并設(shè)置地層彈簧

襯砌結(jié)構(gòu)承受主動(dòng)垂直線性荷載和水平線性荷載，計(jì)算時(shí)將其轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)荷載。假設(shè)單元i、j受力如圖3所示荷載作用，則節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的等效節(jié)點(diǎn)荷載可分別由如下的荷載陣列求出。

圖3 單元i、j受力圖示

(1)

(2)

求解有限元模型。先進(jìn)行初步求解，通過后處理程序查看圍巖壓力受力情況。通過結(jié)構(gòu)荷載法，考慮全環(huán)施加和邊墻局部施加膨脹力，計(jì)算圍巖壓力，最后通過所得彎矩軸力計(jì)算安全系數(shù)進(jìn)行分析。

3 二次襯砌內(nèi)力計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

襯砌及鋼筋參數(shù)，均依據(jù)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范圍巖指標(biāo)參數(shù)取值，二襯鋼筋φ20 mm，型號(hào)HRB400，鋼筋間距20 cm×20 cm主筋保護(hù)層厚度5 cm,混凝土C40,厚度40 cm。圍巖參數(shù)見表1，襯砌強(qiáng)度取彎曲抗壓極限強(qiáng)度36.9 MPa，鋼筋極限強(qiáng)度取屈服強(qiáng)度400 MPa。

圖4 圍巖斷面示意(單位:cm)

3.2 圍巖壓力計(jì)算

在計(jì)算深埋隧道荷載時(shí)，規(guī)范[18]規(guī)定，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平均布?jí)毫Ψ謩e根據(jù)下式確定：

q=0.45×2s-1rω

(3)

ω=1+i(B-5)

(4)

p=λq

(5)

式中：q為垂直均布?jí)毫Γ沪脼閲鷰r重度；s為圍巖級(jí)別；ω為寬度影響系數(shù)；B為隧道跨度；i為B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5 m時(shí)，取i=0.2，當(dāng)B>5 m時(shí)，取i=0.1；λ為地層側(cè)壓力系數(shù)，對(duì)V級(jí)圍巖取λ=0.3～0.5。

表1 圍巖參數(shù)

3.3 巖石膨脹性試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)孔取芯，進(jìn)行巖石膨脹性試驗(yàn)，得到如表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 含石膏脈泥灰?guī)r膨脹性實(shí)驗(yàn)成果

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，圍巖受力安全系數(shù)大于2.4屬于安全。

3.4.1 工況一

IV級(jí)圍巖全環(huán)膨脹壓力見表3、圖5。

表3 IV級(jí)圍巖全環(huán)膨脹受力情況

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

3.4.2 工況二

V級(jí)圍巖全環(huán)膨脹壓力見表4、圖6。

表4 V級(jí)圍巖全環(huán)膨脹受力情況

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

(b)二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

3.4.3 工況三

IV級(jí)圍巖邊墻局部膨脹壓力見表5、圖7。

表5 IV級(jí)圍巖邊墻局部膨脹受力情況

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

(b)二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

3.4.4 工況四

V級(jí)圍巖邊墻局部膨脹壓力見表6、圖8。

表6 V級(jí)圍巖邊墻局部膨脹受力情況

通過進(jìn)行分析比較可知：

(1)圍巖承受全環(huán)膨脹壓力作用時(shí)，受力最不利位置處于拱腳，承受邊墻局部膨脹壓力時(shí)，受力最不利位置處于邊墻。

(2)V級(jí)圍巖邊墻局部膨脹能承受的最大膨脹力只有260 kPa，與膨脹性試驗(yàn)表里最大膨脹力253 kPa極其接近，說明安全儲(chǔ)備是不足的。

(a)二次襯砌軸力分布(單位：N)

(b)二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

(3)在同一圍巖級(jí)別，相同膨脹壓力水平下，邊墻局部受力計(jì)算得到的安全系數(shù)更低，說明邊墻局部膨脹壓力危害性更大。

4 結(jié)論與展望

本文利用有限元軟件ANSYS研究了基于荷載結(jié)構(gòu)法的微膨脹性圍巖深埋隧道的二次襯砌受力情況，通過模擬計(jì)算不同圍巖級(jí)別，不同膨脹壓力水平下二次襯砌彎矩軸力，計(jì)算出安全系數(shù)判斷結(jié)構(gòu)受力安全性，結(jié)合膨脹性試驗(yàn)結(jié)果分析二次襯砌受力的安全性，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)于當(dāng)前隧道斷面，邊墻局部膨脹的危害性比全環(huán)膨脹更大。同樣圍巖級(jí)別及支護(hù)參數(shù)，同樣的膨脹壓力水平下，邊墻局部膨脹計(jì)算得到的安全系數(shù)更低。

(2)為了改善結(jié)構(gòu)受力，建議適當(dāng)增大隧道邊墻與仰拱曲率。

(3)不是所有情況都需要對(duì)支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，V級(jí)圍巖邊墻局部膨脹能承受的膨脹力只有260 kPa，但膨脹力試驗(yàn)表里最大膨脹力為253 kPa，兩者很接近，安全儲(chǔ)備不夠，建議對(duì)邊墻局部加強(qiáng)。

(4)膨脹力的發(fā)展一方面也是由于地下水的作用，應(yīng)加強(qiáng)隧道防排水設(shè)計(jì)與施工，對(duì)膨脹性巖體富集段可采用徑向注漿加固與止水。

本文在計(jì)算圍巖壓力只考慮了在重力主導(dǎo)下的松散圍巖壓力，未考慮圍巖壓力中的形變壓力部分，構(gòu)造壓力等，將來這些應(yīng)作為主要的研究方向。此外，如果隧道在高地應(yīng)力環(huán)境下進(jìn)行開挖，則建議采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算分析。