基于湿陷性黄土流变特性的隧道稳定性分析*

欧湘萍 郭慧峰 尹 航 朱云升 吕乃芝 闫志濠 陈明廉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉市政工程设计研究院有限责任公司2) 武汉 430015) (甘肃长达路业有限责任公司3) 兰州 730000)

0 引 言

我国西部是高原多山黄土地带[1]，在高等级道路建设中常需开挖黄土隧道.对黄土隧道而言，施工过程中的扰动会对黄土结构产生破坏，导致其长期力学特性损伤劣化；运营过程中黄土地层地下水向隧道洞周迁移渗透也会引起隧道洞周黄土围岩的增湿湿陷[2]，会降低围岩的物理力学强度指标，同时，黄土湿陷造成的变形还会给衬砌结构带来较大的荷载，使得衬砌结构出现裂隙导致整体结构失稳.因此，对黄土特性的研究成为建设黄土隧道中极其重要的内容.马莉英等[3]对甘肃原状黄土试样进行了三轴剪切蠕变试验，通过应力路径控制偏应力大小模拟了该土体的蠕变、卸载和松弛过程，得到了该土体的剪切模量随时间和随法向应力的变化规律.Korzenrowski[4]使用承压板仪对硬岩柱进行了现场流变试验，并使用Burgers(伯格斯)模型反映其流变特性.

本文运用flac3d软件，分别选取摩尔-库伦及伯格斯模型，基于黄土的流变特性，针对性的对黄土隧道进行施工过程及后期运营中的稳定性进行分析，以期对实际工程的设计与施工提供参考与指导.

1 实体模型的建立

以兰州定远隧道为依托工程.定远隧道位于甘肃省兰州市东郊榆中县定远镇西侧，其地层为中等湿陷性黄土.该隧道为分离式长隧道，左右线长度分别为1 398.297和1 372.713 m，设计行车速度80 km/h.拱顶部采用R=737 cm圆弧，侧拱半径R=543 cm圆弧，侧墙采用R=793 cm大半径圆弧，仰拱半径为1 800 cm，仰拱与侧墙间采用R=150 cm小半径圆弧连接.

采用有限差分法，利用flac3d软件建立数值分析模型.考虑到开挖隧道围岩的应力场和位移场在3倍洞径之外的区域其变化量不足5%，结合隧道相关资料，隧道上方荷载只考虑覆土的自重，建立了长宽高的尺寸为80 m×10 m×210 m的三维模型，模型共有20 864个单元及26 395个节点，模型整体图和隧道模型局部图见图1.模型的边界范围为隧道左侧和右侧均取35 m，隧道底部取40 m ，隧道顶部埋深范围取160 m，其余各线施加法向约束，等效的隧道埋深为160 m.

图1 隧道模型图

根据隧道台阶法的施工步骤，模型模拟了隧道整个开挖及支护过程，主要模拟以下4个施工步骤：①上台阶开挖，并施加初衬；②中台阶开挖，并施加初衬；③下台阶开挖，并施加初衬；④二次衬砌.

土层材料模型选用摩尔-库伦本构模型，单元类型为Solid实体单元，衬砌材料模型选用线弹性模型.定远隧道黄土的物理力学参数和隧道支护结构参数分别见表1～2.

表1 黄土物理力学参数表

表2 隧道支护参数表

2 隧道开挖过程中的围岩稳定性分析

2.1 隧道开挖过程中的围岩应力及位移分析

图2为隧道开挖过程中每一步开挖初期支护后形成的应力云图.

图2 隧道开挖地应力图(单位：Pa)

随着隧道断面的开挖，原始应力充分释放，隧道上方形成卸压区域，并出现似漏斗状的松散体区域，松散体的稳定性由初始支护力来维持，支护力的大小基本等同于松散体围岩的重力.总体开挖后围岩应力的分布趋势为，拱顶区域卸载，围岩应力减少；拱脚区域加载，围岩应力增加.

表3开挖过程中隧道各监测点应力变化MPa

施工工序以下监测点应力拱顶拱底拱肩上台阶开挖-0.177 53-0.536 25-8.195 7中台阶开挖0.278 07-0.512 33-8.100 1下台阶开挖0.277 09-0.500 24-8.233 8

由表3可知，上台阶开挖时，大量围岩应力释放，隧道围岩向内空区运动使应力场平衡，此时拱顶出现0.17 MPa压应力，由于埋深较大，侧向压力对拱肩的影响明显，最大压应力出现在拱肩位置为8.2 MPa.在及时喷射混凝土和锚杆支护后，围岩和喷锚层形成受力整体，限制了围岩继续变形，开挖中台阶的土体对周围环境扰动较小，在拱顶区域产生了0.27 MPa的拉应力，中台阶的卸载也使拱底的压应力相对减小.开挖下台阶时，整个应力场基本处于平衡状态，变化甚微.

图3～5为隧道开挖过程中位移场变化图.

图3 隧道上台阶开挖位移云图(单位：m)

在台阶法开挖过程中，上台阶施工会对围岩造成相对较大的扰动，拱顶位置会有将近26 cm的沉降，拱底围岩因为卸载回弹，产生将近24 cm的隆起.水平位移总体呈蝴蝶状对称分布，最大水平位移出现在拱肩位置.

图4 隧道中台阶开挖位移云图(单位：m)

开挖上台阶后立即施加初期支护，约束了围岩的变形，因此,开挖中台阶阶段对拱顶的围岩没有太大扰动，拱顶沉降值、拱底隆起及水平位移变化较小.

图5 隧道下台阶开挖位移云图

开挖下台阶时，对拱底围岩扰动最大，拱底隆起相对减小1.8 cm，其他位置基本保持稳定.整个隧道开挖过程中，各监测点的位移变化情况见表4.

表4开挖过程中隧道各监测点位移变化cm

开挖工序监测点拱顶拱底竖向位移拱肩水平位移上台阶开挖-26.0424.398.23中台阶开挖-28.4421.908.91下台阶开挖-28.4520.078.94

在隧道开挖过程中围岩的竖向位移和水平位移相对隧道中线分别呈漏斗状和蝴蝶状对称分布.其中拱顶、拱底区域围岩以竖向位移为主，拱肩区域以水平位移为主，符合自重应力作用下拱顶卸载下沉而拱底卸载回弹的力学特性.随着开挖过程中的初期支护，位移变化量逐渐减小，隧道围岩日趋稳定.

2.2 不同埋深断面的隧道开挖围岩位移分析

对于湿陷性黄土而言，含水率是影响其工程性质的重要因素.针对不同埋深不同含水率的隧道断面进行分析，可以更加全面的评价开挖过程中隧道围岩的稳定性.根据隧道相关资料，选取埋深30 m、含水率2.8%的断面，埋深80 m、含水率5%以及埋深160 m、含水率11.7%的3个断面分别进行隧道开挖工况模拟，开挖过程中各监测点的位移情况见表5.

表5 不同断面开挖位移变化对比 cm

对于埋深30 m的隧道断面，其围岩含水率较低，工程性质较为稳定，上层覆土自重应力场较小，在开挖过程中拱顶累积沉降值仅为9.7 cm，拱底略有隆起，由于侧向应力较小，拱肩处的水平位移没有太大变化.对于埋深80 m的隧道断面，围岩含水率增加到5%，由于黄土颗粒间胶结物的溶解和骨架结构的破坏，围岩的力学性能变差致使变形增大，拱顶累积沉降值为20.2 cm，拱底隆起13.8 cm，拱肩处产生4.5 cm的水平位移.到埋深160 m处，拱顶、拱底及拱肩的变形值因含水率的增加而进一步增大.通过不同断面位移对比分析可知，浅埋段拱肩处位移受侧向压力的影响变化较为明显；深埋段含水率的增大改变了围岩的工程性质，拱顶累积沉降值最大，因此最大埋深处属于定远隧道施工中最不利断面.

3 隧道长期稳定性分析

通过对定远隧道的原状黄土进行三轴蠕变试验，经数学方法拟合分析，选取伯格斯蠕变模型来描述定远隧道湿陷性黄土的长期流变特性，分析定远隧道在30年的围岩变形及支护结构受力随时间变化的规律[5-8].

3.1 不同埋深断面的隧道围岩蠕变分析

不同埋深处的隧道围岩应力场大小不同，在隧道长期的运营过程中也会产生不同的流变效应.现选取3个典型断面(埋深30,80,160 m)进行长期蠕变分析，将其拱顶沉降收敛趋势整理见图6.

图6 不同断面拱顶沉降收敛趋势

由图6可知，3个埋深段面的围岩均有较明显的蠕变效应.30 m埋深断面拱顶累计沉降为0.68 cm，约在45 d收敛；80 m埋深断面拱顶累积沉降约为2.2 cm，约在150 d收敛；最大埋深160 m处沉降约为3.2 cm，在230 d收敛.随着埋深增大，含水率相应增加，湿陷性黄土的力学强度指标相对降低，其粘滞性能也会发生改变，因此，不同埋深处断面的蠕变出现不同收敛时间和沉降值.最大埋深处围岩含水率为11.7%，其蠕变特性也最为明显，围岩蠕变效应产生了最大的变形，对衬砌结构的影响也是最大的，对该断面的蠕变分析可以初步评判隧道的长期稳定性.

现以最大埋深处(160 m)的隧道断面围岩流变效应对衬砌结构带来的影响为评判标准，来分析隧道的长期稳定性.在隧道断面的拱顶和拱底分别设置监测点并进行30年(9.46×108s)蠕变计算，见图7.图8为拱顶和拱底监测点在蠕变阶段位移变化趋势.

图7 位移监测点

图8 拱顶和拱底监测点位移图

由图8可知，拱顶位移变化基本分为3个阶段：0～0.2×108s(230 d)阶段，拱顶围岩变形速率比较稳定，累积沉降值约为3.2 cm，此阶段围岩处于急剧变形期；0.2×108～1.6×108s(5年)阶段，围岩变形速率逐渐减小，仅有约0.5 cm的累积变形量，此时围岩处于缓慢变形期；5×108～9.46×108s(30年)阶段，围岩位移速率逐渐趋近于零，在25年的时间内变形量不到0.4 cm，此时围岩基本处于稳定阶段.30年的蠕变计算中，拱顶累积沉降约为4 cm，其中前230 d的沉降值占总变形量的80%，因此可以判定，在二衬结束后230 d左右，隧道基本进入稳定阶段.

3.2 不同含水率的围岩蠕变分析

定远隧道在后期运营过程中，黄土地层中的地下水会向隧道洞周迁移渗透引起洞周黄土围岩含水率的增大，导致围岩强度的降低甚至会产生湿陷变形，同时也会影响围岩的流变特性.现对埋深80 m的隧道断面进行不同工况下(含水率分别为5%，10%和15%)的蠕变计算，分析相同断面的围岩在其含水率增大的情况下其流变特性的差异.对于埋深80 m的隧道断面，其围岩含水率不同情况下拱顶因蠕变产生的位移见图9.

图9 不同含水率条件下拱顶蠕变收敛趋势

当含水率增大到10%时，拱顶位移收敛所需时间大概为180 d，累积沉降值为3.5 cm；当含水率增大到15%时，拱顶位移收敛所需时间提高到250 d，累积沉降值为6.2 cm.含水率增大时，围岩沉降值越大，沉降收敛时间越长，说明含水率对湿陷性黄土的流变效应影响十分显著.当围岩位移过大时，容易导致衬砌结构出现裂缝，从而导致整个结构的失稳.因此对于兰州定远隧道而言，在施工过程中应该充分考虑隧道防水设计，在初衬和二衬之间铺设防水帆布，同时还应该加强混凝土结构的抗渗等级，避免地下水对围岩的影响.

4 结 论

1) 通过模拟隧道开挖过程，分析了不同工况下隧道围岩应力和位移的变化规律，台阶法施工过程中的上台阶开挖时，原始应力大量释放，隧道围岩有向内空区移动的趋势，应力场和位移场均发生较大变化.随着开挖后及时进行初期支护，约束了围岩的变形，中下台阶开挖时，沉降值虽有累积，但变形速率已经远远小于开挖初始阶段的变形速率.

2) 通过对不同埋深断面和不同含水率条件下的围岩蠕变分析，发现含水率与湿陷性黄土的流变效应关系密切，含水率增大会直接导致围岩蠕变过程中拱顶沉降值增大，收敛时间变长.因此，加强兰州定远隧道施工过程中的防水设计可以降低围岩流变效应对隧道整体结构稳定性的影响.

3) 隧道埋深160 m的断面其围岩流变效应最为显著.施做二衬后，围岩在蠕变作用下仍会持续变形，初始阶段拱顶会发生急速变形，随着时间的推移，沉降速率逐渐降低；经过230天左右，沉降基本收敛，累积沉降值约为3.2 cm，占总体变形量的80%，随后29年中，沉降量不到1 cm，可以认为隧道已经进入稳定阶段.

参考文献

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