膨胀岩胀缩特性对隧道的稳定性影响研究

王 硕， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031)

膨胀岩，不仅具有吸水膨胀-失水收缩的特性，且其强度也会随着含水量的增加而出现衰减的现象[1-2]。所以在膨胀岩地层中TBM开挖隧道时，围岩受到扰动，富水地层的地下水通过裂隙流到管片背后，沿着隧道管片纵向流动到贫水地层，再从洞周向各方向扩散，使膨胀岩吸水膨胀产生变形，压迫支护结构从而对管片产生膨胀力。这样容易引起隧道发生过大变形等问题，严重影响工程的安全和稳定性[3-4]。

尼泊尔巴瑞巴贝引水隧洞穿越区域工程地质、水文地质条件复杂，穿越膨胀岩地层，富水性好，施工面临着膨胀岩遇水膨胀和岩体软化，因此膨胀岩TBM施工是急待研究的[5-7]。

1 工程概况

尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道桩号0+000～1+620段，该段隧道埋深自南向北逐渐增加，最深560m，围岩为西瓦利克下段(LS)砂岩、泥岩互层，砂岩、泥岩约各占50 %，位于地下水位以下，洞壁潮湿，沿结构面有渗水或滴水。砂岩集中段Ⅲ级围岩约占70 %，Ⅳ级围岩约占25 %，局部地质构造发育、岩体破碎洞段为Ⅴ级围岩，约占5 %；泥岩集中段Ⅳ级围岩约占50 %，Ⅴ级围岩约占50 %。其中泥岩为强膨胀岩，自由膨胀率Fs=41%～101%，对隧道的施工和后续使用影响很大[8-9]。

引水隧道断面型式为圆形，采用TBM掘进，全长采用预制混凝土管片衬砌，衬砌内直径为4.2m，厚度为0.3m，豆砾石填充层厚度为0.13m，其横断面如图1所示。

图1 引水隧道横断面(单位：m)

2数值计算

2.1 物理力学参数

数值模型中，围岩膨胀前后都采用摩尔-库伦塑性本构模型，豆砾石填充层和管片支护结构采用弹性本构模型。管片内直径为4.2m，厚0.3m，豆砾石层内直径为4.8m，厚0.13m，围岩、豆砾石层和管片物理力学参数见表1。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

2.2 计算参数和计算工况

本次计算共设置了三种边界条件[14-16]：

(1)位移边界条件、孔隙水压边界和应力边界。位移边界条件：在初始时刻，左右边界设置水平位移约束，底部设置水平和竖向位移约束，前后设置水平位移约束，顶部不施加约束。

(2)孔隙水压边界：在初始时刻，左右边界设置孔隙水压边界。预设水位线于隧道底部以下15m，水位线以上孔隙水压为负值。

(3)应力边界：在模型顶面施加相应的均布荷载，模拟不同工况下的埋深。

2.3 计算工况方案设置

模型隧道开挖方式采用全断面开挖来模拟TBM的掘进过程，当隧道掘进至离模型隧道口纵向深度10m时，通过激活孔隙流边界，向隧道洞周围岩渗流地下水，并模拟不同埋深下围岩吸水膨胀过程，研究TBM隧道开挖时围岩膨胀的变形过程和失稳规律以及支护结构的受力特征，具体计算工况如表2所示。

表2 计算工况

2.4 计算结果分析

膨胀岩TBM隧道掘进支护完成后，围岩吸水膨胀会发生进一步的变形。本节主要研究不同埋深下，膨胀岩吸水膨胀对TBM隧道围岩变形产生的影响。选取模型中部，距离隧道口10m的断面在不同工况下的围岩变形，该断面的围岩变形随饱和度变化曲线如图2～图5、表3所示。

表3 目标断面膨胀前后不同工况的围岩变形统计 cm

通过比较分析可知：

(1)在TBM掘进支护完成后，因为开挖扰动引起应力重分布使得围岩发生一定的变形，变形最大发生在拱顶处的沉降，其次是仰拱的隆起，拱腰向内的水平收敛最小，且隧道围岩变形都随着埋深的增加而增加。

(a)膨胀前断面竖向位移

(b)膨胀前断面水平位移

(c)膨胀后断面竖向位移

(d)膨胀后断面水平位移图2 工况1目标断面围岩变形云图(单位:m)

图3 拱顶沉降量变化曲线(单位：cm)

图4 边墙水平位移量变化曲线(单位：cm)

图5 仰拱隆起量变化曲线(单位：cm)

(2)地下水渗流后，洞周围岩吸水膨胀，产生膨胀变形，压迫支护结构，使拱顶沉降量、仰拱隆起量都随时间逐渐增加；随着埋深的增加，拱顶沉降和仰拱隆起的改变量略微增加，差距并不明显，说明因膨胀而产生的竖向变形可能受埋深的影响不大。围岩膨胀变形在短时期内仍未达到稳定，说明这是一个长期过程，仍将继续发生下去。

(3)膨胀过程中，围岩的水平收敛值随着时间的增加而逐渐减小；造成此现象的原因是，膨胀岩竖向渗透系数大于水平渗透系数，因此围岩在竖向产生的膨胀变形大于水平的膨胀变形，因而膨胀岩对隧道拱顶和仰拱的膨胀力大于隧道两侧拱腰的膨胀力，使隧道两侧拱腰向外位移，从而围岩水平收敛值随膨胀的发生而减小。

3 结论

本文采用ABAQUS有限元软件研究了埋深为50m、60m、70m、80m、100m，膨胀性泥岩的胀缩性对TBM隧道产生的影响，通过对隧道发生膨胀前后的围岩变形、塑性区分布等进行比较分析，探明膨胀性泥岩TBM隧道开挖时围岩膨胀动态的过程及失稳特征，可得出以下结论：

(1)通过对五种工况洞周围岩变形分析可知，在膨胀岩中，TBM隧道掘进支护完成后，随着埋深的增加，围岩的变形和地下水渗流膨胀后引起的变形都是随之增加的，且最大变形都发生在拱顶处。

(2)围岩吸水膨胀后，拱顶沉降量、仰拱隆起量都随时间逐渐增加；且随着埋深的增加，围岩变形的改变量都只略微增加，说明因膨胀而产生的变形可能受埋深的影响不大。

(3)围岩膨胀而产生的变形在短时间内不会达到稳定，是一个长期的过程，设计和施工时应对膨胀产生的后续影响加以考虑；且因膨胀岩竖向渗透系数大于水平渗透系数，围岩膨胀对隧道在竖向上影响更大。

(4)围岩吸水膨胀会影响围岩的稳定性，增大塑性区的分布范围和深度，且隧道埋深越大，围岩膨胀对洞周塑性区所造成的影响越大，最大塑性应变基本都分布在隧道拱腰两侧。