膨胀性软岩隧道结构受力计算研究

王建鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 研究背景

Tabellout引水隧道是北非“北水南调”的重要组成部分。从Tabellout库区通过2级泵站将水泵到隧道进口(高程600m)，通过13.42km长的引水隧洞重力流自流到南出口处(高程590m)。隧道设计为全圆形断面，进、出口高差为10m，隧道外径400cm，内径350cm，过水断面要求为2/3隧道内截面，设计流量为7.2m3/s，年输水量1.89亿m3。

勘察设计2001年开始， 2011年结束[1-2]，参与单位有11家：法国6家、意大利2家、德国1家、阿尔及利亚2家。由法国和意大利联合体公司实施施工。合同工期要求2010年3月3日～2012年12月3日，共计33个月。采用敞开式单护盾TBM 组织施工。在施工过程中，已经成型的管片不断发生开裂、变形、错台，最终形成坍塌。2013年9月TBM掘进机卡死在泥灰质黏土岩与泥灰岩的交界处，隧道掘进完成2.82643km(占隧道总长的21.06%)。合同严重超期，设计咨询及承包商认为该段地质情况极为恶劣，建议废弃整个隧道方案及掘进机，或者仅保留洞口段已完成的700m隧道，废弃其余已施工部分，改线绕行。如果按照上述调整方案，必然导致巨大的费用及工期再延误，如果不调整，到底需要怎样变更设计，业主展开了国际咨询。

膨胀性岩石遇水膨胀和软化产生灾害问题的研究起于上世纪50年代， 1993年缪协兴等人提出了湿度应力场理论[3]，在一定范围有应用，但因岩性及应力应变场复杂多变，影响因素多，准确确定衬砌结构外侧不同方位压力目前仍是世界难题。本文采用荷载—结构计算模型，从侧向压力、水动力、残余应力、松动圈塑性变形方面，研究软岩、软化性、膨胀性造成的岩体作用于结构外侧的综合力学效应。

2 隧道岩性特征及地层参数

2.1 隧道岩性特征

引水隧道位于低山台地区。穿越的地貌单元为Tamesguida高地，该高地被Chemassa河及Imnar河冲蚀，隧道在河槽地面以下40～50m处穿过，顶板岩石风化严重。

隧道涉及地层为卡比尔复理石层[4](努米底亚层)和Djemila层。努米底亚层：为一套渐中新世复理石地层，由砂岩、块状泥灰岩、黏土岩、泥质砂岩组成的碎块状沉积地层构成。

图1 隧道进口段施工图地质勘察工程地质纵断面图Fig. 1 Tunnel entrance construction drawing geological survey engineering geological profile

Djemila层：由一套始新世至三叠系过渡的泥灰质岩石和石灰岩构成。发育有逆冲断裂、背斜、向斜、长大节理和结构面。

根据沿线路确定的岩性特征、实验室试验成果以及在当地类似地质环境中所建隧道项目的经验反馈结果，隧道经过段岩石可分为三个地质力学组(隧道进口段地质纵断面见图1)。

病害主要集中在地质力学2组(GG2)，K1+059～K3+825段，黑色泥灰岩，节理密集，呈板状脱层及垂直叶理构造，风化带呈渣土状，微风化呈层片状。

2.2 地层参数

黑色泥灰岩地层参数见表1。

表1 法国公司和意大利公司联合体的地层参数Table 1 formation parameters of the consortium of French and Italian companies

3 隧道施工设计情况

3.1 原施工图设计情况

3.1.1 原设计管片结构计算参数

管片设置采用4片/每环，管片厚度25cm，管片配筋量120～160kg/m3，管片混凝土强度为C55，锚栓4套/每片，注浆孔2套/每片，弹性模量Ec=3.6×104MPa，波松比0.2，混凝土密度为2.5g/m3。

3.1.2 原设计力学计算模型

(1)连续介质模型计算

选用Midas/GTS软件[5]进行计算，模拟施工步骤，建立平面应变模型，模型计算条件如下：模型水平向宽度取10倍的开挖洞径，竖直向高度取12倍洞径； 模型上边界为自由面，左右两侧约束水平向位移，底面约束水平向和竖直向位移； 围岩采用平面应变单元模拟[6]，管片结构采用梁单元[7]模拟； 地层初始应力采用自重应力场[8]模拟，不考虑地下水产生的压力荷载。管片破坏处K1+575建模计算见图2。

图2 隧道K1+575 断面有限元模型(左)、围岩塑性应变图(右)Fig 2 Finite element model of tunnel K1+575 section(L.)and plastic strain diagram of surrounding rock(R.)

连续介质模型设计力学计算结论：最大正弯矩处，管片厚度0.25m，弯矩21.6kN·m，轴力480.9kN，配筋面积1 235mm2，裂缝间距符合要求，安全系数12.2； 最大负弯矩处，管片厚度0.25m，弯矩-21.3kN·m，轴力691.3kN，配筋面积1 235mm2，裂缝间距符合要求，安全系数9.4。

(2)采用荷载—结构模型

将围岩对管片衬砌的作用作为外荷载形式施加到管片结构上，计算管片的变形和受力情况建立模型计算条件如下：

按照太沙基坍落拱理论[9]计算上覆地层压力； 根据上覆地层压力值乘以侧压力系数k0计算侧向压力； 管片结构简化多铰圆环[10]模型； 管片与围岩相互作用采用弹性地基梁[11]理论，满足温克尔假设[12]。管片破坏处K1+575断面建模计算见图3。

荷载—结构模型[13]进行计算结论：最大正弯矩处，管片厚度0.25m，弯矩60.1kN·m，轴力276.8kN，配筋面积1 235mm2，裂缝间距符合要求，安全系数1.8； 最大负弯矩处，管片厚度0.25m，弯矩-25.7kN·m，轴力472.1kN，配筋面积1 235mm2，裂缝间距符合要求，安全系数11.5。

图3 铰力学模型(左)、管片受力图(右)Fig. 3 Mechanical model of hinge(L.)and force diagram of tube slice(R.)

4 原设计施工中遇到的问题及解决方法

4.1 遇到的问题

隧道管片安装后，发现逐步出现了不同程度的大范围的裂缝，裂缝绝大部分位于拱腰附近，拱顶、拱底裂缝主体为纵向，局部受到边界条件影响，有斜向裂缝出现。裂缝逐步发展，并最终导致了局部的坍塌； K1+185拱腰部纵向开裂，裂缝宽1～5mm； K1+745拱腰轻微纵向破裂，裂缝宽1～3mm； 部分地段严重变形，出现管片剥落、破裂、裂缝漏水、泥灰质黏土岩与泥灰岩的交界处卡机等问题。软岩水力条件改变，软化、膨胀、承载力降低，使得侧向综合压力显著增加是病害主要原因。

4.2 解决方法

塌方段至隧道进口之间的加固带(K1+425～K1+575段)，长150m，用时2月，加固方式为内衬采用钢筋钢拱架网，支撑环形H180钢架，钢架间距60cm，纵向用H60钢架连接，钢架与管片之间采用木楔子打紧。

塌方段至掌子面间的加固带(K1+575～K1+825段)，长250m，清理坍塌用时53天，加固方式为内部支撑环形H180钢架，钢架间距60cm，纵向用H60钢架连接。

发生卡机地段地层情况是泥灰质黏土岩与泥灰岩的交界处。首先，发生轻微的卡机事故，由于赶上周末放假停工，等假期过后，发现整体卡机，然后，采用注水润滑，但是，围岩遇水后膨胀[14]，卡机更加严重。采用高压油缸顶推，慢速通过，处理时间约6个月。

5 病害原因分析及建立新的力学模型

5.1 对原施工设计管片安全性分析

在隧道K1+575断面处采用连续介质模型，采用围岩自重应力场进行管片结构检算，得到的管片安全系数远远大于常规设计要求1.7。

按照荷载—结构模型，采用太沙基坍落拱理论计算隧道上覆地层压力所检算的管片结构安全系数也大于常规设计要求1.7。

原设计的管片厚度和配筋量按照常规围岩压力理论，没有膨胀性的围岩时，均能满足结构的强度、裂缝和变形方面要求。但是，结合隧道围岩及受力分析，隧道结构实际所受的围岩作用与围岩自重应力场和一般太沙基坍落拱理论计算的荷载有很大区别，隧道实际有一个膨胀性软岩胀缩力、地下水的动态压力、塑性变形和残余应力影响，受力考虑不全，给施工留下了安全隐患，需要建立新的受力边界条件。

5.2 建立新的受力条件的依据

依据原详细初步设计地质资料； 承包商的补充地质调查资料； 隧道变形开裂的范围、特征的规律分析； 测区的区域地质构造； 当地类似地层及膨胀性岩土的土工试验参数； 中国类似工程经验。将泥灰岩的膨胀压力、软岩塑性变形产生的侧压力、动水压力、围岩可能具有的残留构造应力，参照该类岩石的实验数据，折算为隧道侧向压力[15]，进行结构计算。侧压力按300kPa、500kPa、800kPa三种类型进行模拟计算分析。

5.2.1 当地既有工程的泥灰质黏土岩膨胀压力经验数据

依据阿尔及利亚东西高速公路M1～M2标段的泥灰质黏土岩数据，泥灰质黏土岩具有轻微至中等膨胀性，自由膨胀率FS=48%，最大值FS=66%，平均膨胀压力Δg=162kPa，最大膨胀压力Δg=490kPa，直剪凝聚力57kPa，直剪内摩擦角21.6°。

5.2.2 当地既有泥灰质岩石风化层膨胀压力经验数据

依据阿尔及利亚东西高速公路M5标段的泥灰质岩风化层膨胀压力数据，泥灰质岩风化层自由膨胀率FS=31%～77%，膨胀压力Δg=40～65kPa，三轴剪凝聚力为21～98kPa，三轴内摩擦角为14.0°～28.7°。

5.2.3 膨胀性力学机理

泥灰质黏土岩及泥灰岩岩性软弱，还有大量黏土矿物(高岭石及伊蒙混层)及约20%的碳酸钙，黏土矿物层状聚集，碳酸钙不均匀散布，层与层之间存在空隙，强力亲水，吸水后产生塑弹性变形破坏，遇水崩解，失水干裂，强度与体积急剧变化，湿泥沉于衬砌外侧松动圈地层，对坍落物表现出异常低的阻滑性，软化、膨胀或干裂、承载力丧失，使得衬砌外侧综合应力调整过程复杂化，稳定过程中，拱腰侧压力剧增，更易于破坏。

5.3 新建受力结构模型参数及新条件下安全性分析

按照中国规范和经验：合理的配筋量为120～240kg/m3，特殊情况可增加，结构最大配筋率不大于2.5%，结构极大裂缝控制在0.2mm以内，结构安全系数不应小于1.7； 新建模型地层参数为：GG2组泥灰岩单轴抗压强度为5MPa，变形模量为675MPa，三轴剪凝聚力为50kPa，三轴内摩擦角为30°，干燥密度为2.3g/m3，侧向压力为300kPa。管片结构计算参数为： 4片/每环，管片厚度35cm，每环宽度1.2m，管片配筋量120～240kg/m3，管片混凝土强度为C55，锚栓4套/每片，注浆孔2套/每片，弹性模量Ec=3.6X104MPa，波松比0.2，混凝土密度为2.5g/m3。

侧压力增加条件下对原25cm厚管片进行安全性分析：采用增加侧压力的荷载—结构受力模型，侧向压力采用300kPa时，K1+575断面计算结果如下：管片结构竖向相对变形4.2mm； 管片结构水平相对变形5.6mm； 最大正弯矩处，管片厚度0.25m，弯矩109.6kN·m，轴力492.2kN，配筋面积1235mm2，钢筋应力超限，安全系数0.98； 最大负弯矩处，管片厚度0.25m，弯矩-64.6kN·m，轴力821.8kN，配筋面积1 235mm2，裂缝间距符合要求，安全系数5.06，钢筋应力不安全。

图4 管片结构竖向变形图(相对变形2.7mm，左)、水平变形图(相对变形3.3mm，右)Fig. 4 Vertical deformation diagram(relative deformation 2.7mm，L.)，horizontal deformation diagram(relative deformation 3.3mm，R.)

图5 管片轴力图(左)、剪力图(右)Fig. 5 Axial force diagram(L.)and shear diagram(R.)

图6 管片弯矩图Fig. 6 Bending moment diagram of pipe sheet

侧压力增加条件下对35cm厚管片进行安全性分析：采用增加侧压力的荷载—结构受力模型，侧向压力采用300kPa时，K1+575断面用Midas/GTS软件计算结果见图4-图6。如下：管片结构竖向相对变形2.7mm； 管片结构水平相对变形3.3mm； 最大正弯矩处，管片厚度0.35m，弯矩158.5kN·m，轴力410.3kN，配筋面积2 212mm2，裂缝间距0.18mm，安全系数1.96； 最大负弯矩处，管片厚度0.35m，弯矩-131.7kN·m，轴力802.4kN，配筋面积2 212mm2，裂缝间距符合要求，安全系数4.90。

在考虑软岩侧向压力的情况下，通过增加管片厚度至35cm，并增大配筋率大于0.63%(2 212mm2)后，可以满足结构变形、强度和裂缝方面的要求。

5.4 不同侧向压力条件下的配筋量变化

根据对测区围岩的力学特性、隧道地层的地质特征，膨胀力强弱的变化、塑性变形、动态水、残余应力等因素的影响，对隧道受到的侧向压力进行调整，在研究300kPa侧压力的基础上，研究了受到500kPa、800kPa一共三种工况侧压力时的相应配筋率，见表2，管片厚度为35cm，侧向综合压力为300kPa时，安全系数为1.96、侧向综合压力为500kPa时，安全系数为2.02、侧向综合压力为800kPa时，安全系数为1.71。

表2 管片遭受300kPa、500kPa、800kPa三种不同综合侧向压力工况下的配筋率表Table 2 reinforcement rate table of tube sheet subjected to 300kPa， 500kPa， 800kPa three different comprehensive lateral pressure conditions

6 新建的受力模型研究成果

在新的受力模型下(考虑C=50kPa，φ=30°，增加300kPa侧向压力)，如果还用25cm厚管片，结构将从内表面开始出现破坏性裂缝，并最终发展到结构损坏； 管片由25cm厚度变更为35cm，配筋率不小于0.63%(160kg/m3)后，管片结构将能够满足变形、强度和裂缝宽度的要求； 从结构计算的角度出发， 4 块管片接头均布置在管片环弯矩最小处附近，应加强环向及纵向锚栓连接，分法合理。后期施工也证明了变更的正确性。

7 结论

隧道洞身处的详细的岩性及相关力学参数的准确条件是设计、施工的根本保证，膨胀性软岩的膨胀力、动态水压力、塑性变形和残余应力折算是结构变更设计的关键。

原设计缺少软岩地区的隧道设计经验，对软质岩大变形缺少预估及监测，做管片力学模型计算时，未考虑岩体胀缩力、地应力、地下水的动态压力、塑性变形和残余应力折算，对岩性、围岩综合分级、质量分级、地下水、破碎程度等认识不足，导致管片厚度、结构强度和配筋不满足软岩段落受力。

洞身岩性为典型的膨胀性软岩，泥灰质黏土岩、泥灰岩遇水时侧向膨胀压力增加，采用35cm厚度的管片，在300～800kPa范围内的侧压力时，可通过改变配筋达到最佳支护效果； 已经预制的25cm厚的管片，用在了局部岩性好的砂岩或灰岩地段，进行了合理利用。管片厚度增加10cm后，隧道截面缩小仍然能满足过水量要求，得到多方认可，每环管片为4片满足结构计算应力、弯矩分布，力学效果好。