隧道周邊泥巖遇水膨脹對隧道安全性的影響分析

張建斌

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 工程概況

濟青高鐵機場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，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)砂巖就會出現(xiàn)體積膨脹，從而對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的膨脹力，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。因此，有必要對隧道建成以后周邊地層浸水膨脹作用對隧道安全性的影響進行研究。

2 膨脹土力學(xué)性質(zhì)分析

2.1 計算方法選定

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)研究者對膨脹性問題的研究主要通過含水率的變化，改變土體的強度參數(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的作用，并不能有效地體現(xiàn)膨脹土向各個方向的膨脹力學(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來模擬濕度場，通過熱-力耦合分析，從而得到土體中濕度變化時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)力場模擬膨脹土增濕產(chǎn)生的濕度應(yīng)力場，運用有限差分軟件熱-力耦合模塊進行計算[8-9]。

2.2 計算內(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)場工程實踐對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，不同的膨脹力下對襯砌的影響，研究圍巖、襯砌的受力和變形規(guī)律，進而提出針對膨脹性泥巖地層隧道在施工階段可以采取的應(yīng)對技術(shù)措施。

2.3 膨脹力的確定

基于其他類似工程實踐可借鑒的考慮，本工程具膨脹性潛勢泥巖的膨脹力確定，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。通過工程類比，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測試驗，按照泥巖及泥質(zhì)砂巖具有中等膨脹潛勢，確定計算膨脹力為:50、100、150、200、250、300 kPa。

2.4 計算工況

選取襯砌施作及土方回填完畢的隧道進行計算分析，取縱向計算長度3 m。因為明挖施工，隧道拱部上方采用三七灰土進行回填，拱部以上地層不會出現(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 計算結(jié)果分析

(1)泥巖未膨脹時襯砌應(yīng)力

為了更加客觀反映泥巖局部膨脹對隧道襯砌內(nèi)力的影響，首先進行泥巖未膨脹時隧道襯砌內(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，強度等級高，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

具膨脹潛勢的泥巖地層局部浸水膨脹出現(xiàn)在隧道墻腰位置時，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)抗壓強度遠遠大于抗拉強度，實質(zhì)上墻腰處局部膨脹對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，當膨脹壓力為300 kPa時，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

具膨脹潛勢的泥巖地層局部浸水膨脹出現(xiàn)在隧道仰拱位置時，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)值及趨勢幾乎相同，趨勢成線性增加，從趨勢上可以看出仰拱處局部膨脹對墻腳危害最大；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，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整體襯砌結(jié)構(gòu)的影響計算分析，結(jié)合現(xiàn)場工程實踐，針對隧道周邊地層局部浸水膨脹對隧道襯砌結(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

加強對地表水的防治，通過回填不透水三七土，修建溝槽引離地表水，并對明顯的節(jié)理、裂隙進行注漿充填，截斷地表水向地下滲流的通道，避免地表水滲入地層。

3.2 隧道周邊縱向分區(qū)分隔處理

采用袖閥管對膨脹地層隧道變形縫、施工縫位置進行注漿，形成隔水注漿墻，沿隧道縱向進行分區(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結(jié)構(gòu)向外3.0 m，豎向深度為回填設(shè)計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行，漿液以滲透-劈裂方式擴散，擴散半徑1～1.5 m，每個施工單位注漿范圍，基坑左右側(cè)沿帶寬各設(shè)置2個注漿孔，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，用于檢查注漿效果。

(1)鉆孔

根據(jù)設(shè)計圖紙要求放線定位，用竹簽做好標記。用地質(zhì)鉆機就位，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入底層，而底層中的水和顆粒難以進入注漿管中，從而達到單向閥的作用[10-11]。袖管安裝完成后采用水泥砂漿進行封孔固管止?jié){。

(3)注漿

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

注漿采用跳孔法施工，施工時隔1孔施工，相鄰兩孔注漿時間間隔不小于48 h，待先期施工的注漿體具有一定強度后返回進行剩余孔施工。注漿施工時注意做好標記，并編好孔號，以防遺漏。

3.3 結(jié)構(gòu)局部加強措施

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。對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，適當降低圍巖類別，以便從工程結(jié)構(gòu)上予以加強[12]。

3.4 監(jiān)控量測措施

針對局部膨脹區(qū)域除進行收斂變形等常規(guī)項目外，應(yīng)結(jié)合圍巖壓力、襯砌內(nèi)力以及圍巖內(nèi)部多點位移計等項目進行綜合監(jiān)控，全面了解圍巖變形和結(jié)構(gòu)受力情況；對監(jiān)測的圍巖壓力可以和現(xiàn)場室內(nèi)試驗初步測得膨脹壓力進行對比，提前采取結(jié)構(gòu)措施。

4 結(jié)論

通過分析膨脹圍巖對結(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)合工程實踐，對隧道不同部位局部膨脹對結(jié)構(gòu)的受力影響進行了數(shù)值計算分析，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度高，在隧道周邊局部浸水膨脹時對隧道結(jié)構(gòu)的影響是有限的，隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

(2)針對泥巖及泥質(zhì)砂巖的膨脹特性，結(jié)合數(shù)值計算分析結(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，地表防滲，縱向分區(qū)分隔處理，改善或加強結(jié)構(gòu)薄弱部位，發(fā)揮監(jiān)控量測主導(dǎo)作用。