考虑结构性影响的黄土隧道围岩参数修正

2015-12-21赵建斌

水利与建筑工程学报 2015年5期

马林，张军，赵建斌

(山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原030006)

我国黄土分布广泛，面积约63万km2，主要集中在山西、陕西、甘肃和宁夏等地[1－3]。由于所处地区典型的干旱半干旱气候，形成了黄土特有的大孔隙结构、垂直节理发育、遇水湿陷大变形等[4－6]特征，学术上将其统称为结构性[7－8]。黄土隧道就是以这种具有典型结构的黄土作为围岩，在其修建和运营过程中出现了许多工程病害。现有的理论或解释多是套取岩质隧道设计相关经验[9－10]，提出的措施治标不治本，在较长时间内很快出现新的病害。黄土隧道与岩质隧道本质区别在于围岩，因此，本文以山西典型黄土隧道为基础，从黄土隧道围岩特性出发，分析考虑黄土隧道围岩结构特性影响的隧道变形规律，最后以现场实测结果为基准进行不同围岩级别参数反演，依据等效原理，间接考虑结构性对隧道围岩的影响，提出适合黄土隧道的各级围岩设计参数。

1 黄土隧道围岩等级划分

根据大量黄土隧道工程调研及室内外试验[11]，从黄土的物理力学性质方面对黄土隧道设计参数进行了划分，提出了不考虑隧道围岩结构特性的推荐设计参数见表1。

表1 黄土隧道围岩等级设计参数推荐表

表1中明确的给出了各级黄土隧道围岩的具体取值，为黄土隧道设计提供了卓有成效的理论依据。但从表1中不难发现，黄土隧道围岩的特性未体现。原因是由于黄土隧道在开挖过程中，隧道围岩受到扰动将发生部分破坏或整体破坏，围岩土体的强度将降低，而在表1中，强度参数为初始强度，且取为定值，显然与实际不相符。因此有必要对推荐表进行修正。

2 围岩土体物理力学指标分析

首先进行了围岩土体的室内土工试验，开展了不同土体状态(原状土、重塑土、饱和原状土)、不同固结围压(50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa)和不同含水率(5%、10%、15%、18%、22%)下的三轴压缩试验。得到了围岩土体的基本物理性指标见表2。

表2 油坊沟隧道围岩物理力学参数

在探讨结构性发展演变规律时采用的是应力结构性参数[12]，该结构性参数能较好的反映围岩隧道的力学特性，其表达式为:

式中:mσ为应力结构性参数;σo、σr和σs为原状土、重塑土和原状饱和土的应力值。

分析了土体结构性参数的变化规律，如图1～图5所示。

结构性参数随应变的变形规律基本呈单调递减规律，一定应变时处于平缓阶段，可用幂函数进行拟合，同时分析了结构性参数与围压、含水率及强度之间的关系，如式(2)～式(6)，为后续的数值计算奠定了基础。

图1 含水率为5%的结构性参数

图2 含水率为10%的结构性参数

图3 含水率为15%的结构性参数

图4 含水率为18%的结构性参数

图5 含水率为22%的结构性参数

3 黄土隧道围岩参数优化思路

由于黄土结构性在引用时较为复杂，为方便工程应用，拟考虑将其等效化处理。黄土隧道围岩参数优化时，首先考虑结构性影响时隧道围岩变形规律数值模拟(具体模拟步骤如下:通过室内试验得出结构性参数与强度参数、围压、含水率及轴向变形的关系，通过Fish语言编程，将建立的相关关系引入到隧道模型开挖中，实现考虑结构性影响时隧道围岩变形规律的数值模拟)，以得出的隧道横断面和纵断面围岩变形值为基础进行参数反演，取反演后的隧道围岩变形值与结构影响时的隧道围岩变形值比较，直至二者数据吻合为止。取当前的参数为修正后隧道围岩参数推荐值。

4 黄土隧道围岩参数优化结果

选取山西典型黄土隧道为依托，建立数值计算模型，尺寸为80 m×50 m×70 m(长 × 宽 × 高)，计算准则采用Mohr－Coulomb强度准则。边界条件为模型底部三个方向全约束，沿隧道轴线方向约束前后两个表面的Y方向，垂直隧道轴线方向约束左右两个表面的X方向，上表面为自由表面，开挖方式为三台阶法，进尺为1 m。如图6所示。模型计算参数见表3。

图6 隧道计算模型

表3 隧道模型计算参数表

4.1 隧道围岩变形规律分析

为说明围岩结构性特性对隧道开挖变形的影响，对比分析了考虑结构性变化和不考虑结构性变化时的拱顶水平位移和沉降、地表水平位移和沉降曲线的差异，分析结果如图7所示。

从图7可以看出，同一围岩级别时考虑围岩结构性变化的拱顶沉降曲线均比不考虑围岩结构性变化的拱顶沉降曲线偏低，这正是结构性的贡献，亦揭示了围岩结构性对拱顶沉降的影响。表4考察了不同围岩级别下拱顶最大沉降值的对比情况，不难发现，随着围岩级别的降低，围岩性质变差，考虑结构性变化与不考虑结构性变化的差值增大(围岩级别为Ⅴb时反常，原因是围岩参数较低使得强度衰减的幅度减小，变形衰减减小)，亦说明结构性的作用增强，即围岩条件越差，级别越低，围岩结构在受到扰动后的变形就越大。

4.2 隧道围岩设计参数反演分析

通过上述分析可知，考虑结构性参数和不考虑结构性参数变化时对隧道围岩土体的变形影响较大，而结构性在引入计算过程中难度较大，因此考虑对围岩参数进行等效优化，即将考虑结构性参数变化对围岩土体的影响后围岩土体的位移值作为基准，通过参数反演来寻求一组可以与考虑结构性参数变化时的围岩土体位移值最为接近的围岩土体强度参数作为黄土围岩等级强度推荐参数，此时的系数称为等效系数。以此来计算围岩的受力变形规律(限于篇幅，文章只给出了Ⅳa和Ⅳb围岩的分析结果见图8、图9)。

图8说明等效系数为0.95时的沉降曲线与考虑结构性变化时的曲线拟合度较高，选用此等效系数下的围岩设计参数为修正后的推荐值。亦即选用等效系数为0.95时的围岩设计参数，在计算结果上等同于考虑了黄土围岩结构的影响，间接地反映了黄土围岩在隧道开挖过程中的变化甚至破坏，模拟效果更真实、合理。图9中虽然拱顶沉降在等效系数为0.9和0.88时的曲线与考虑结构性时的吻合度都较高，但通过地表沉降曲线易将其区分开，即选用等效系数为0.90时的围岩计算参数为修正后推荐值。另外两种围岩级别模拟方法类似，这里不做赘述。