穿越富水?dāng)鄬悠扑閹淼澜Y(jié)構(gòu)受力及變形特性試驗(yàn)研究*

周慧文,王志紅,高聯(lián)斌,焦立群,王建偉

(山西黎霍高速公路有限公司,山西 長治 046000)

0 引言

目前,高速公路隧道在建設(shè)過程中面臨的水文、地質(zhì)、氣象、地形地貌等條件越來越復(fù)雜,其不可避免地穿越斷層帶、圍巖破碎帶等不良地質(zhì)條件［1-2］。由于斷層破碎帶為地下水提供了良好的下滲通道,隧道受地表強(qiáng)降雨、地表徑流、人工排水等影響,極易產(chǎn)生富水段,導(dǎo)致地下水匯集至隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后,誘發(fā)隧道產(chǎn)生突泥涌水、結(jié)構(gòu)開裂、底板隆起、滲漏水等一系列地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅隧道施工及運(yùn)營安全［3-4］。

國內(nèi)外學(xué)者針對穿越斷層富水帶隧道的研究主要集中在地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理、設(shè)計(jì)施工優(yōu)化處治技術(shù)研究方面［5-10］。吳金剛［5］依托石峽隧道穿越軟弱斷層破碎帶的工程背景,采用自進(jìn)式管棚、加強(qiáng)初支、鎖腳錨管等手段對施工方案進(jìn)行優(yōu)化,提高隧道施工安全性;張付軍［6］依托武九高樓山公路隧道的工程背景,分析斷層破碎帶對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響及各影響因素的敏感性,為隧道施工安全提供技術(shù)支撐;徐鋒［7］以鴻圖特長隧道為依托,采用數(shù)值模擬手段研究隧道穿越斷層破碎帶滲流場、位移場的耦合特征,并在此基礎(chǔ)上提出了施工優(yōu)化措施;唐銳［8］結(jié)合折多山隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹У默F(xiàn)場工況,全面揭示其地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理,并提出了多重手段相結(jié)合的協(xié)同處治技術(shù)體系。然而,上述研究成果均針對某工程案例開展研究,其富水?dāng)鄬悠扑閹Чr過于單一,未形成系統(tǒng)的研究成果。因此,本文結(jié)合太岳山特長隧道的富水?dāng)鄬悠扑閹Чr,設(shè)計(jì)了多種富水工況,揭示隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形特性,以期為隧道施工及運(yùn)營安全提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

太岳山隧道為青蘭高速山西境內(nèi)黎城至霍州段控制性工程,左右洞長度分別為11 135,11 160m,為雙向四車道分離式特長隧道,其設(shè)計(jì)時速為80km/h,隧道建筑限界寬度為10.25m,高度為5.0m,隧道正常段路面橫坡為2.0%,汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。太岳山隧道自東向西穿越太岳山主脊,其山體峰巒疊嶂,山勢險要,地形起伏較大,地表沖溝侵蝕發(fā)育,地貌復(fù)雜多變,隧道最大高差達(dá)到815.86m。該隧址區(qū)屬剝蝕中山起伏山區(qū),其受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重,地表橫斷面呈V字形,溝底狹窄,水系密度為6～8條/km。隧道洞身段的主要圍巖為黑云角閃斜長片麻巖、石英巖,其風(fēng)化裂隙較發(fā)育,巖體極破碎,巖芯多呈碎塊狀,局部為碎裂狀結(jié)構(gòu),且多種結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

受區(qū)域構(gòu)造的控制,隧址區(qū)內(nèi)斷層破碎帶、褶皺成為其最為發(fā)育的構(gòu)造類型。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探結(jié)果,隧址區(qū)斷層破碎帶呈張裂性破碎,其導(dǎo)水通道與地表水關(guān)系密切,且滲透系數(shù)較大,為地下水的下滲提供了良好通道,導(dǎo)致隧道在施工過程中涌水量較大,總體達(dá)到中等富水等級,局部隧道段達(dá)到強(qiáng)富水標(biāo)準(zhǔn)。該隧道在施工過程中多次穿越斷層破碎帶,其斷層帶兩側(cè)擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重,伴隨有構(gòu)造裂隙發(fā)育,斷層及構(gòu)造裂隙的相互作用,導(dǎo)致局部圍巖極為破碎,嚴(yán)重影響隧道掌子面圍巖的整體穩(wěn)定性(ZK142+228處掌子面斷層破碎帶,如圖1所示),易產(chǎn)生隧道結(jié)構(gòu)大變形及圍巖塌方、掉塊危險,威脅隧道施工安全。部分隧道段地下水類型豐富,主要為巖體裂隙水,且由于斷層破碎帶為地表水下滲提供了通道,加之隧道開挖形成匯水廊道,導(dǎo)致巖體裂隙水受地表水的補(bǔ)給較為充分,且深層巖體內(nèi)的裂隙水受到淺部斷層破碎帶裂隙水的補(bǔ)給,使得局部圍巖含水量較大,隧道多處產(chǎn)生涌水、滲漏現(xiàn)象(ZK142+350處掌子面線狀出水,如圖2所示)。

圖1 隧道掌子面斷層破碎帶情況Fig.1 The fault fracture zone of tunnel face

圖2 隧道掌子面線狀滲水Fig.2 The linear seepage of tunnel face

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)合太岳山隧道富水?dāng)鄬悠扑閹У膶?shí)際情況,本模型試驗(yàn)重點(diǎn)在于模擬隧道圍巖裂隙水入滲、水位上升兩種富水工況下隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律。首先,在模型箱設(shè)計(jì)方面,本模型試驗(yàn)的幾何相似比確定為CL=35,考慮隧道結(jié)構(gòu)模型的尺寸及消除邊界效應(yīng)影響的需求,模型箱尺寸最終確定為長度1.7m,高度1.6m,寬度0.86m。其次,本模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、加載板、底座、空心方鋼、有機(jī)玻璃板、閥門、滲水管等構(gòu)成,其中模型箱兩側(cè)的有機(jī)玻璃板上布設(shè)有多組滲水孔,以滿足不同富水工況下滲水管的布設(shè)需求,具體情況如圖3所示。

圖3 隧道模型箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Tunnel model box structure

2.2 測試項(xiàng)目及測試方法

為全面分析穿越富水?dāng)鄬悠扑閹淼澜Y(jié)構(gòu)的受力及變形特性,本模型試驗(yàn)重點(diǎn)測試隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩、軸力及整體變形。隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩及軸力通過在襯砌模型拱頂、左右拱肩、左右邊墻、左右拱腳及仰拱部位的內(nèi)外兩側(cè)分別布設(shè)電阻式應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測,測得應(yīng)變值后,可根據(jù)襯砌模型材料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)及截面尺寸計(jì)算出彎矩及軸力,其具體計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：M為彎矩;N為軸力;E為襯砌模型材料彈性模量;εi,εe分別為模型內(nèi)外兩側(cè)的應(yīng)變值;b,h分別為襯砌模型截面的寬度和高度。

為準(zhǔn)確監(jiān)測富水?dāng)鄬悠扑閹в绊懴碌乃淼澜Y(jié)構(gòu)整體變形,本模型試驗(yàn)在模型箱外側(cè)做標(biāo)記線,并用高清數(shù)碼相機(jī)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程拍攝,獲取隧道變形的高清圖片,再采用GetData Graph圖像處理軟件提取關(guān)鍵點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)方案

太岳山隧道洞身段埋深較大,受多條斷層破碎帶的影響,地表水大量下滲,且受隔水層的影響,隧道基底部位圍巖含水量不斷增大,進(jìn)而導(dǎo)致地下水位上升;同時,在隧道開挖卸荷作用的影響下,圍巖裂隙水逐步匯集到隧道襯砌背后,導(dǎo)致隧道周邊圍巖含水量不斷增大。因此,本模型試驗(yàn)重點(diǎn)模擬隧道地下水上升及周邊裂隙水下滲兩種工況,并根據(jù)實(shí)際情況將各工況分成3個階段,通過布設(shè)滲水管以實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)的精確模擬,具體情況如圖4所示(考慮到本圖為對稱結(jié)構(gòu),圖中僅顯示左半部分),具體參數(shù)如表1所示。

表1 隧道模擬工況具體參數(shù)Table 1 Specific parameters for tunnel simulation conditions

圖4 隧道模擬工況示意圖(單位：cm)Fig.4 Tunnel simulation working conditions(unit：cm)

2.4 試驗(yàn)過程

本模型試驗(yàn)在完成模型箱制作、相似材料配備、襯砌模型制備等準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上,需開展以下6個操作步驟：①貼應(yīng)變片 在襯砌模型內(nèi)外兩側(cè)關(guān)鍵部位確定應(yīng)變片粘貼位置,用砂紙將表面打磨平整,再用502膠水將其粘貼牢固;②畫刻度線 在隧道模型PVC板外側(cè)用水彩筆畫出網(wǎng)格線刻度線,其間距為5cm×5cm;③分層填土并夯實(shí) 將圍巖相似材料分層填筑至模型箱內(nèi)部,每層厚度不超過10cm,用橡膠錘夯實(shí);④預(yù)埋隧道模型 待相似材料填筑到適當(dāng)高度時,放置隧道模型,繼續(xù)填筑相似材料并夯實(shí);⑤布設(shè)滲水管 在隧道模型兩側(cè)對稱布設(shè)滲水管,根據(jù)不同滲水階段布設(shè)相應(yīng)的滲水管,從而通過閥門準(zhǔn)確控制富水狀態(tài);⑥系統(tǒng)調(diào)試 將應(yīng)變片引線連接至靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀,采集3次數(shù)據(jù)取平均值作為初始值,在模型正前方架設(shè)高清相機(jī),實(shí)時采集模型整體變形圖片,其具體試驗(yàn)步驟如圖5所示。

圖5 隧道模型試驗(yàn)主要步驟Fig.5 Main steps of tunnel model test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 彎矩及軸力結(jié)果分析

利用上述模型試驗(yàn)系統(tǒng),模擬分析穿越富水?dāng)鄬悠扑閹Чr下的受力及變形規(guī)律,并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1min讀取一次數(shù)據(jù),試驗(yàn)整個過程持續(xù)4h,根據(jù)測得的隧道襯砌模型應(yīng)變值,經(jīng)計(jì)算所得彎矩及軸力曲線如圖6,7所示。

圖6 隧道襯砌彎矩變化曲線Fig.6 Tunnel lining bending moment variation curve

從圖6中可以看出,隨著隧道周邊巖體裂隙水的不斷入滲,隧道襯砌彎矩值普遍增大,尤其是測點(diǎn)2,3處的彎矩值增幅較大,其在裂隙水入滲第3階段增大幅度分別達(dá)到了42%,24%,最大彎矩值出現(xiàn)在測點(diǎn)2處,其值為22.3kN·m。而隨著地下水位的不斷上升,除測點(diǎn)2,3處彎矩值小幅波動外,其余彎矩值均明顯下降,尤其是測點(diǎn)8在地下水上升第3階段出現(xiàn)負(fù)彎矩值。原因在于斷層破碎圍巖在地下水影響下強(qiáng)度大幅衰減,弱化隧道仰拱部位與圍巖相互作用,而隧道襯砌左右兩側(cè)邊墻及拱腳部位在周邊裂隙水入滲后壓力增大,導(dǎo)致仰拱部位受力呈現(xiàn)出“扁擔(dān)狀”,即仰拱中間部位正彎矩減小并出現(xiàn)負(fù)彎矩。

從圖7中可以看出,隧道襯砌軸力均為負(fù)值,即襯砌結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài),且隨著周邊裂隙水的不斷入滲,軸力值普遍增大,尤其是仰拱部位的測點(diǎn)6～8處的軸力值增加幅度較大,其最大增幅達(dá)到34%。在地下水位上升過程中,各測點(diǎn)的軸力變化趨勢不同,測點(diǎn)4,5處的軸力值逐步減小,而其余測點(diǎn)處軸力值大幅增加。原因在于隨著周邊裂隙水的入滲及地下水位的上升,隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生重分布,導(dǎo)致軸力分布極不均衡,嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

圖7 隧道襯砌軸力變化曲線Fig.7 Tunnel lining axial force variation curve

3.2 整體變形結(jié)果分析

在模型試驗(yàn)開展過程中,采用高清相機(jī)每隔1min獲取1張隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體變形的圖片,結(jié)合PVC板外側(cè)刻度線,采用專業(yè)圖像處理軟件提取襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置處的變形數(shù)據(jù),所得變形曲線結(jié)果如圖8所示,其變形實(shí)際情況如圖9所示。

圖8 隧道襯砌整體變形分布Fig.8 Distribution of overall deformation of tunnel lining

圖9 隧道模型襯砌變形情況Fig.9 Deformation of tunnel model lining

從圖8中可以看出,受周邊裂隙水入滲及地下水位上升的影響,隧道襯砌整體產(chǎn)生了較大變形,其最大位移值產(chǎn)生在測點(diǎn)1處,即隧道襯砌拱頂部位向上隆起6.4mm;而測點(diǎn)4,5處產(chǎn)生了向內(nèi)的位移,最大值為4.1mm。可見,隧道受地下水影響下拱部承受剪切變形,并伴隨發(fā)生有開裂、掉塊現(xiàn)象,具體情況如圖9所示。對于仰拱部位而言,其受周邊裂隙水入滲的影響下產(chǎn)生向下的位移量,最大值達(dá)到3.1mm,而隨著地下水位的上升,其位移值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系奈灰?并產(chǎn)生了底板隆起病害。此原因在于地下水位的上升導(dǎo)致隧道基底處圍巖強(qiáng)度大幅衰減,其承載力嚴(yán)重不足,且拱腳部位應(yīng)力增加,使得仰拱部位應(yīng)力分布不均衡,誘發(fā)底板隆起病害的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

基于室內(nèi)模型試驗(yàn)的測試結(jié)果,本文初步分析了穿越富水?dāng)鄬悠扑閹淼烂媾R的周邊裂隙水入滲、地下水位上升工況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩、軸力及整體變形規(guī)律,得到以下結(jié)論。

1)受周邊裂隙水入滲及地下水位上升因素的影響,斷層破碎帶圍巖強(qiáng)度大幅衰減,襯砌仰拱與圍巖相互作用減弱,但隧道左右邊墻及拱腳部位在地下水入滲后壓力增大,使得仰拱部位受力呈“扁擔(dān)狀”,襯砌整體彎矩分布不均衡。

2)在周邊裂隙水入滲過程中,隧道襯砌軸力均為壓應(yīng)力,其仰拱部位軸力明顯增加,其最大增幅達(dá)34%;而隨著地下水位的上升,隧道襯砌應(yīng)力產(chǎn)生重分布,導(dǎo)致軸力分布極不均衡,嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

3)根據(jù)隧道襯砌整體變形的試驗(yàn)結(jié)果,隧道襯砌受地下水影響下其拱部承受剪切變形,并伴隨有開裂掉塊現(xiàn)象,而由于地下水導(dǎo)致隧道基底部位圍巖強(qiáng)度大幅衰減,承載力降低,誘發(fā)底板隆起病害的發(fā)生。