考虑结构性影响的黄土隧道围岩力学响应分析

马 林，关 伟，张 军

（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）

考虑结构性影响的黄土隧道围岩力学响应分析

马 林，关 伟，张 军

（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）

针对目前黄土隧道变形分析中未考虑围岩结构特性的现状，以平面应变试验为载体，研究了结构性参数与强度参数、围压、含水率及剪应变之间的关联模型；运用FLAC3D数值软件建立实体隧道三维模型，采用Fish语言程序编写，将结构性引入到隧道变形计算中，主要分析围岩土体结构变化对隧道变形的影响。研究结果表明：土体结构性对隧道变形的影响规律，即考虑结构性影响时隧道沉降偏大，传统研究结果偏不安全，需加以重视；提出了通过结构性参数变化规律确定围岩松动圈的思路，为结构性的进一步工程应用提供参考。

黄土；结构性；隧道；围岩；变形

近年来我国经济飞速增长，公路交通行业迅猛发展。尤其在中西部地区，公路交通建设呈现出空前盛况。由于中西部地区典型的梁、峁、塬结构，建设过程中不可避免出现大量隧道，多以黄土隧道为主。目前国内在岩质隧道［1-3］方面的研究成果较多，理论也相对成熟，黄土隧道研究基本借鉴岩质隧道的经验。然而黄土隧道与岩质隧道的本质区别即是围岩材料不同。黄土因其大孔隙结构、垂直节理发育、遇水湿陷大变形等［4-5］特性使得黄土隧道的病害异于岩质隧道，如隧道洞口段易坍塌、隧道内部渗透水严重、洞顶坍塌、永久衬砌脱落［6-9］等，给隧道设计和施工带来了巨大困难。

本文在前人研究基础上，依托隧道实体工程，运用大型有限差分软件FLAC3D建立隧道三维模型，结合室内试验结果计算分析围岩结构特性对黄土隧道受力变形的影响，研究结果可为类似黄土隧道工程设计提供依据。

1 黄土结构性影响因素试验研究

目前对于结构性的研究较为成熟，主要有：谢定义等［10-11］通过压缩试验提出的应变结构性参数，邵生俊等［12］通过三轴剪切试验提出的应力结构性参数，陈存礼等［13］基于压缩试验提出的孔隙比结构性参数，邓国华［14］、陈昌禄等［15］通过真三轴试验提出的应力比结构性参数等，均可定量化的描述黄土的结构性大小，使之与密度、湿度、粒度一起全面描述土的物理力学性质。

隧道开挖主要引起围岩应力重分布，进而导致隧道变形。此过程涉及的力学指标较多，因此选用物理意义明确的应力比结构性参数进行研究，此结构性参数能够综合反映球应力与剪应力的影响，其表达式为：

式中：（q/p）y、（q/p）r和（q/p）s分别代表原状、重塑、饱和黄土的剪应力与球应力比值，通过三者之间的数学关系来反映扰动、浸水和加荷作用下土的结构性变化。

为方便应用，马林等［16］将应力比结构性参数与广义剪应变建立如下关系：

其中：A、B为试验参数，取值情况如下：

同时分析结构性参数与强度参数的关系，给出了如式（6）的经验公式：

式中：a、b和d均为试验参数，其取值为：a=0.66，b=0.14，d=-0.95。

从式（2）可看出，该结构性参数实际上反映了土体含水率、围压及剪应变之间的综合影响，土体部分变化规律如图1～图4所示。

图1～图4表明，随着剪应变的发展，土体的结构性参数不断减小，最终趋于稳定，依据综合结构势思想，此时土体的空间结构完全破坏，土体性质类似于正常固结土。

图1 含水率为18%的结构性参数

图2 含水率为14%的结构性参数

图3 含水率为10%的结构性参数

图4 含水率为5%的结构性参数

2 隧道力学模型

2.1 工程概况

弓家沟隧道位于兴县新庄村和弓家沟之间，左线洞体全长675 m，进口段里程桩号为ZK86+734，洞口底板设计高程为1 153.38 m，出口段里程桩号为ZK87+409，洞口底板设计高程为1 150.28 m。隧道呈南北走向，山梁顶部覆盖粉土、粉质黏土。隧道起点洞口所在的基岩山坡有厚层粉土、粉质黏土覆盖，坡度较缓，微地貌属于黄土中缓坡；终点洞口所在的山坡有厚层粉土、粉质黏土覆盖，坡度较缓，微地貌属黄土中缓坡。

2.2 数值模拟

根据圣维南原理和隧道工程实际，模型只考虑一定范围内的土体性状，本文的计算土体主要为黄土。据隧道周边地形将隧道模型简化，如图5所示，数值模型如图6所示。计算区域取为60 m×35 m× 44 m（长×宽×高（地表最低处）），边界条件除上表面自由外，其他各面均为简支约束。鉴于掌子面的空间效应和边界条件的影响，选取纵向Y=21.7 m截面进行重点分析。土体选用Mohr－Coulomb本构模型。模型参数见表1。

图5 模型示意图

图6 计算模型

表1 模型计算参数

3 隧道模拟结果分析

为消除隧道开挖过程中两端边界效应的影响，选取隧道开挖至中间断面Y=21.7 m为研究对象，对其受力变形情况进行分析。

3.1 不考虑结构影响的隧道变形分析

隧道开挖过程中较为重要的因素为位移变化情况，因此对开挖引起的横向位移（见图7）和竖向位移（见图8）作以下分析：

（1）图7说明，由于隧道开挖使得隧道洞腰两侧形成了明显的松动圈，易使得衬砌出现横向纵向裂缝。同时此处的变形最大，最易发生结构破坏，对围岩衬砌的要求较高，常需施做伸缩缝。洞腰处最大位移达7.2 mm。

（2）图8表明在隧道开挖时隧道洞顶沉陷，洞底隆起，严重时易引起洞顶塌方、洞底地板破裂。因此，在设计时往往需进行超前支护，在洞底施做仰拱支护。

图7 隧道开挖时横向位移云图（不考虑结构性影响）

图8 隧道开挖时竖向位移云图（不考虑结构性影响）

3.2 考虑结构影响的隧道变形分析

黄土结构性是其区别于正常固结土的最重要特征，是描述黄土物理力学性质最重要因素之一。目前研究隧道稳定性时均未考虑黄土结构性的影响。隧道开挖引起围岩应力改变，土体内部水平衡被打破，导致围岩应力和土体含水率二次分布，引起隧道变形，土体结构破坏，强度降低，直接影响隧道的稳定性。围岩土体结构衰变是隧道变形的内因，因此传统方法在评价隧道稳定性方面存在一定缺陷。

综上，通过土结构性室内试验分析取得结构性参数与强度、应变、含水率和围压之间的关联模型，采用Fish语言编程将其关联模型引入到FLAC3D计算中，通过围岩压力、含水率的变化来间接反映土体结构性参数的改变，进而引起隧道围岩强度参数的变化。分析结果如下：

容易看出，考虑结构性影响后隧道的围岩变形规律（见图9、图10）与不考虑时基本一致，但二者在数值上有所差异，考虑结构性影响时横向位移较不考虑时小1 mm，竖向位移较不考虑时大4 mm，约占总位移的13.3%和33.3%。同时考虑结构性影响时拱顶变形增大，侧墙变形减小，主要是因为隧道拱顶上覆土体结构受到扰动破坏，土体强度骤降，引发洞顶大变形；由于隧道衬砌的存在，使得洞顶处土体受力向侧墙转移，产生挤压侧墙土体的作用，使得侧墙处土体变形减小。这些均与土体结构性密切相关，即土体内部结构破坏后土体强度迅速降低，常会发生脆性破坏，衰减幅度巨大。但目前研究中并未考虑其影响，开挖过程中认为围岩土体一直保持完好，未发生结构破坏，导致计算结果偏不安全。

图9 隧道开挖时横向位移云图（考虑结构性影响）

从图11中可看出，隧道开挖过程中洞周围岩出现了明显的松动圈，此处的应变量较大。图12、图13表明隧道开挖时结构性场亦呈现良好的规律分布，在洞顶竖向随埋深的增加逐渐减小，洞底竖向随埋深的增加逐渐增大，洞周左右两侧基本成对称分布。因此从剪应变云图、结构性参数云图及结构性参数等值线图多角度均证明了围岩松动圈的存在，可用土体结构性参数来分析围岩稳定性。图14表明在隧道拱顶上方结构性参数沿埋深方向变化分两阶段：迅速陡降段和缓慢发展段。隧道围压破坏均发生在陡降段，因此可用陡降段和平缓段的交点（可通过曲线斜率而定）确定松动圈范围。

图10 隧道开挖时竖向位移云图（考虑结构性影响）

图11 隧道开挖时剪应变云图

图12 隧道开挖时结构性云图

图13 隧道开挖时结构性场等值线图

图14 隧道拱顶轴线结构性关系曲线

4 结 论

黄土隧道的稳定性与围岩土体的性质密切相关，即围岩结构性愈强，隧道愈稳定。本文根据平面应变三轴试验结果建立应力比结构性参数与强度参数、围压、含水率及剪应变之间的关联模型，应用Fish语言将其引入到隧道稳定性评价中，初步实现了黄土结构性的工程应用，并得出以下结论：

（1）揭示了土体结构性对隧道变形的影响规律，即考虑结构性影响时隧道竖向沉降偏大，以往的研究偏不安全，需加以重视。

（2）提出了通过结构性参数变化特性确定隧道围岩松动圈的思路，为结构性的进一步应用提供参考。

［1］ 沈才华，童立元，刘松玉.卵砾石层浅埋公路隧道支护方案的优化研究［J］.土木工程学报，2008，41（7）：71－75.

［2］ 李术才，朱维申，陈卫忠，等.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（4）：466－472.

［3］ 霍卫华.软岩大跨隧道施工力学研究［J］.河北理工学院学报（自然科学版），2004，26（4）：96－100.

［4］ 雷祥义.黄土显微结构类型与物理性质指标之间的关系［J］.地质学报，1989（2）：182－190.

［5］ 高国瑞.黄土湿陷变形的结构理论［J］.岩土工程学报，1990，12（4）：1－10.

［6］ 蔚立元，李术才，梁 巍，等.隧道建设运营中的各种灾害及研究方向［J］.山东大学学报（工学版），2009，39（S2）：15－20.

［7］ 黄润秋，徐则明.深埋隧道地质灾害及其评价与控制［M］.北京：科学出版社，1987.

［8］ 陈新建.黄土隧道地质灾害主要类型及分析评价［D］.西安：长安大学，2004.

［9］ 任 鹏，薛晓辉.偏压及沟谷地形条件下黄土隧道力学特性分析［J］.山西交通科技，2013，222（3）：39－41.

［10］ 谢定义，齐吉琳.土结构性及其定量化参数研究的新途径［J］.岩土工程学报，1999，20（2）：651－656.

［11］ 谢定义，齐吉琳，朱元琳.土的结构性参数及其与强度变形关系［J］.水利学报，1999，30（10）：1－6.

［12］ 邵生俊，周飞飞，龙吉勇.原状黄土结构性及其定量化参数研究［J］.岩土工程学报，2004，26（4）：531－536.

［13］ 陈存礼，胡再强，高 鹏.原状黄土的结构性及其与变形特性关系研究［J］.岩土力学，2006，27（11）：1891－1896.

［14］ 邓国华.真三轴条件下黄土的结构性参数及结构性本构关系研究［D］.西安：西安理工大学，2008.

［15］ 陈昌禄，邵生俊，佘芳涛.土结构性变化对开挖边坡稳定性的影响分析［J］.岩土工程学报，2011，33（12）：1938－1942.

［16］ 马 林，邵生俊，陈昌禄.黄土结构性对挡土墙土压力的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2013，9（3）：596－602.

Analysis of the Mechanics Response of Loess Tunnel Surrounding Soils Considering Structural Effect

MA Lin，GUAN Wei，ZHANG Jun
（Shanxi Transportation Research Institute，Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

Currently the structural characteristic of the surrounding rock is not considered in loess tunnel deformation analysis.Based on the test results of plane strain，the relationships between the structural parameters and strength parameters，water content，confining pressure and shear strain were analyzed in this paper.The tunnel three－dimensional model was developed by using FLAC3Dnumerical software.With Fish language programming，the structural is introduced into the tunnel deformation calculation.The impact of tunnel deformation was analyzed by soil structure changes.The conclusions are：the influence law of soil structure to the tunnel deformation is revealed，considering the structural effect tunnel vertical settlement is larger，which leads to the conclusion that the normal results is not safe therefore it needs more attention.A new method was proposed which estimates tunnel surrounding rock loose circle by structural parameters changes which lays foundation for the further application.

loess；structure；tunnel；surrounding；deformation

U452.1+2

A

1672—1144（2016）05—0114—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.022

2016－06－12

2016－07－14

交通运输部建设科技项目（2014318771100）；山西省基础研究计划（青年科技研究基金）项目（2014021033-2）

马 林（1986—），男，陕西杨凌人，硕士，工程师，主要从事黄土力学与隧道工程研究工作。E－mail：327759595@qq.com