降雨入渗对膨胀土隧道力学特性影响的数值分析

顾永贵

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230011)

膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性等工程性质。工程危害性表现在土中含水率变化时，其富含的膨胀性岩土矿物会产生显著的湿胀干缩变形，对路基、边坡、隧道支护结构等造成不利影响。隧道穿越膨胀土地区时，其支护结构受到膨胀土湿胀干缩影响引起的变形损坏已成为目前比较普遍的问题。国内外学者针对膨胀土增湿过程中的工程特性进行了很多研究[1-5]。周坤等[6]通过有限元方法模拟隧道周边膨胀土吸水后对隧道衬砌的影响，认为膨胀率对隧道结构影响最大，其次是膨胀圈厚度，对隧道结构作用最小的是埋深。林刚等[7]基于膨胀接触压力的概念，结合成都地铁2号线膨胀岩土地层结构分析，计算出不同膨胀岩土分布、膨胀力、埋深以及拼装方式下的结构内力值。郭瑞等[8]采用数值模拟计算，认为膨胀土存在于隧道上、下方时，其膨胀会导致管片结构的变形加剧和内力增大，同时提出加强配筋或通缝拼装等措施，以降低管片结构受力。曾仲毅等[9]结合热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程、膨胀力及渗流参数，通过有限差分软件模拟不同膨胀力条件下的增湿过程，得出引发隧道支护结构破坏的临界含水率为19.5%，临界膨胀力为140 kPa。

众所周知，含水率变化是影响膨胀土力学性质的主要因素，而隧道的扰动将导致围岩裂隙的发展，渗水将加大围岩的湿度，从而对衬砌结构的膨胀力产生影响。目前，对不同扰动程度下膨胀土隧道的衬砌结构力学特征缺少全面的定量研究。因此，通过定义隧道施工的松动区(吸湿范围)，基于PLAXIS二维数值模型，以温度场模拟湿度场[10-11]，仿真模拟隧道施工过程中围岩膨胀区渗水增湿的过程，分析不同松动区的湿度场变化趋势，研究膨胀土增湿膨胀对隧道衬砌结构的受力变化特征。

1 数值模型及模拟方案

1.1 研究对象

合肥地铁五号线某下穿暗挖隧道左线长53.9 m，右线长42.9 m，隧道宽7.6 m，高8 m，埋深15.0 m，如图1所示。暗挖段施工采用CRD法，以1→3→2→4的顺序开挖；3与4和1与3均以5 m间距施工，每步进尺1.5～2.0 m。采用“喷射混凝土(C25，厚25 cm)+钢筋网+工字钢(工22a)”进行初期支护。

图1 新奥法隧道开挖分区示意

1.2 计算模型及参数

采用Plaxis 2D建立数值分析模型，模型“宽×高”为100 m × 40 m，如图2所示。土层自地表(高程为±0.000)分布如下：填土(厚2 m)、黏土2(厚6 m)、黏土3(厚17 m)和黏土4(厚15 m)。隧道拱顶高程为-15 m，地下水位高程为-30 m。通过15节点高阶三角形单元离散地层，总计分为1 062个单元，8 920个节点(如图3所示)。

图2 土体分层、水位及隧道结构几何模型

图3 隧道与土体有限元网格及边界条件

应用HS模型作为岩土体的本构模型，可模拟关于复杂加卸载开挖类岩土体的力学行为[12]，按照固结快剪指标调整土体的强度参数。其中，通过数值模拟反演联合表面浸润及膨胀力试验结果确定热参数(见表1)；工字钢(工22a)和初期支护的混凝土喷射则利用板单元进行模拟(见表2)。

表1 土体物理力学参数

表2 板单元参数

1.3 松动区范围定义

隧道开挖卸载导致应力剧增，一定区域内的围岩土体将会产生变形松动，在隧道周围出现“松动区”。此处定义只在“松动区”发生吸湿，表层填土无膨胀性，不计入“松动区”。在岩石工程领域中，主要从隧道开挖导致的围岩应力和应变变化两方面研究“松动区”，分析和模拟膨胀土的工程特性，从隧道开挖而导致围岩偏应力及位移变化过程界定“松动区”的范围。隧道开挖前，岩土体偏应力大致呈水平分布，随着开挖作业展开，在开挖卸载和支护结构阻力共同作用下，围岩出现偏应力集中现象，偏应力等值线的集中范围可定义成“松动区”(见图4)。初始阶段，岩土体尚未发生移动，隧道开挖后，洞壁周边土体朝临空面发生位移，可定义出现较大位移的区域为“松动区”(见图5)。考虑增湿膨胀的隧道开挖松动区界定原则是隧道周围左、右、下方一倍洞径处和拱顶上方地表填土层底面处，并认为松动区域的上层潜水易渗入膨胀性黏土，导致黏土膨胀及强度降低，引起隧道支护结构受力产生变化。

图4 隧道开挖引起周围土体偏应力分布等值线

图5 隧道开挖引起周围土体位移分布等值线

1.4 模拟方案

温度场与渗流场具相似性。因此，可将渗流场土体渗透系数的变化等价为温度场下土体导热系数的变化[6]，利用温度场的土体升温膨胀来模拟膨胀土的增湿膨胀特性[9]。随着隧道开挖后围岩产生松动区，松动区应力场、变形场发生较大改变，土体出现裂隙，引起渗透系数的变化。由此可见，松动程度不同，相应的渗透系数也不同。在设计模拟方案时，通过提高膨胀土导热系数至原始导热系数的100倍、1 000倍、10 000倍，来考虑隧道开挖松动区在这三种不同的扰动程度下土体导热系数的变化(见表3)。随开挖断面的变化，隧道周围的松动区范围也随之改变。为方便研究，假定松动区范围在隧道开挖过程中保持不变。

表3 隧道开挖松动区不同扰动程度下的土体导热系数 kW/m/K

(1)边界条件

为了模拟上层滞水渗入膨胀土松动区产生增湿膨胀而导致隧道结构出现的附加变形及应力，应设置相应的热边界条件。因地下水位在地面以下30 m，所以只需考虑赋存于地表填土层中水体沿松动区的下渗。将地表填土层底面(即黏土2层顶面)定义为增湿边界，即于模型高程-2.000 m处设置成303.1 K(与增湿最大饱和度相对应)。上层滞水下渗不作用于模型的左右侧面以及下底面，定义为封闭边界(温度零变化，热量零交换，饱和度不变)。

(2)施工阶段设置

隧道28 d完成一次全断面开挖。受降雨等因素影响，赋存于地表填土层中的水体得到充足补给，随着隧道开挖出现松动区，上层水体渗入，引起膨胀土松动区增湿膨胀，从而对隧道结构变形及受力产生影响[13-14]。为模拟隧道开挖后引起膨胀土增湿膨胀的过程和开挖导致支护结构的变形情况，可按照表3所定义松动区的4种不同松动程度，根据表4的施工阶段设置，分别完成膨胀土隧道的增湿模拟。

表4 膨胀土隧道增湿膨胀模拟施工阶段设置

2 计算结果及分析

2.1 土压力发展规律

为观察隧道周边松动区域土体增湿膨胀后膨胀力的发展情况，在洞周上下左右距离洞壁0.5 m处分别设置一条剖线(如图6所示)，输出各施工阶段增湿前后剖线上的水平土压力和竖向土压力变化情况，如表5～表7所示。

从表5～表7可以看出，随着扰动程度增大，洞周土体增湿前后的土压力差异也逐渐增大。

在“轻微松动”条件下，温度影响深度尚未达到隧道所处的黏土3地层，增湿前后洞周各剖线土压力基本没有变化，洞周土体内基本不产生膨胀力。

图6 隧道周边土压力剖线布置示意

表5 隧道周边膨胀土增湿前后应力变化(轻微松动) kPa

表6 隧道周边膨胀土增湿前后应力变化(显著松动) kPa

表7 隧道周边膨胀土增湿前后应力变化(完全松动) kPa

在“显著松动”条件下，温度影响深度已经达到隧道所处的黏土3地层，但尚未达到增湿饱和，洞周各剖线土压力有一定提高，表明洞周土体内将产生少量的膨胀力。

在“完全松动”条件下，洞周土体达到增湿饱和状态，洞周各剖线土压力显著提高，表明此时洞周土体增湿后将产生较大的膨胀力，继而也会使得隧道支护结构所受的附加荷载明显增大。

2.2 结构内力发展规律

在不同扰动程度下，各施工阶段洞周土体增湿膨胀后隧道初支结构的内力和变形响应分布情况如图7～图12所示。图13给出了各施工步序下，土体的不同扰动程度(不同的导热系数及产生的膨胀力)对应的弯矩极值变化情况。

由图7～图13可以看到，随着隧道开挖扰动程度的加剧，隧道初期支护的受力和变形与不考虑增湿膨胀条件下的内力和变形之间的差异逐步增大。扰动程度越大，洞周松动区域浸水增湿速度越快，增湿饱和程度越大，地层压力亦随之增大，导致隧道初支结构承受较大的附加荷载作用，土体增湿膨胀后隧道初支结构内力最大增幅接近20%。

图7 上层水入渗增湿后隧道结构弯矩分布(轻微松动)

图8 上层水入渗增湿后隧道结构变形(轻微松动)

图9 上层水入渗增湿后隧道结构弯矩分布(显著松动)

图10 上层水入渗增湿后隧道结构变形(显著松动)

图11 上层水入渗增湿后隧道结构弯矩分布(完全松动)

图13 各施工步序下隧道初支结构弯矩极值随土体膨胀程度的变化

3 结论

(1)根据隧道开挖而导致的围岩偏应力及位移变化过程来界定“松动区”的范围。考虑增湿膨胀的隧道开挖松动区界定为隧道周围左、右、下方一倍洞径处和拱顶上方地表填土层底面处，认为松动区域的上层潜水易渗入膨胀性黏土，导致黏土膨胀及强度降低，引起隧道支护结构受力产生变化。

(2)在“轻微松动”条件下，增湿前后洞周各剖线土压力基本没有变化，洞周土体内基本不产生膨胀力；在“显著松动”条件下，洞周各剖线土压力有一定提高，表明洞周土体内将产生少量的膨胀力；在“完全松动”条件下，隧道开挖完成时洞周土体达到增湿饱和状态，洞周各剖线土压力显著提高，表明此时洞周土体增湿后将产生较大的膨胀力，继而也会使得隧道支护结构所受的附加荷载明显增大。

(3)随着隧道开挖扰动程度的加剧，隧道初期支护的受力和变形与不考虑增湿膨胀条件下的内力和变形之间的差异逐步增大，土体增湿膨胀后隧道初支结构内力最大增幅接近20%。

(4)在目前的膨胀土隧道数值模拟研究中，普遍采用指定吸湿膨胀范围的方法，本文中对指定松动区内考虑吸湿膨胀也属于这一类。在借鉴松动圈概念的基础上，根据变形、应力梯度等指标划定松动区范围，但是相关指标仍然需要人为指定，导致吸湿膨胀范围的划定不够精确，后续可以对吸湿膨胀范围的精确确定方法作进一步研究。

(5)膨胀土的膨胀变形与初始含水率、终了含水率和上覆荷载等均有关系。膨胀土含水率变化过程实际是非饱和土渗流过程，具有强非线性。膨胀土吸水膨胀可通过引入膨胀系数(采用初始应变法)进行有限元分析。但膨胀系数与多因素相关，如应力状态、初始含水率等，对某一种特定膨胀土不是一个常数。由于试验资料有限，未考虑增湿过程中膨胀系数的变化，而是指定了几种极端的不利工况进行分析，后续可加强相关试验研究。

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