膨胀岩地段高铁隧道支护破坏机理研究

李新宇

（中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

由于膨胀岩具有吸水膨胀和劣化等工程特性，在工程设计中若不能做出正确的评价，会给实际工程带来预料不到的危害[1-3]，如施工反复、工程延期、不能正常运营、隧道结构损伤等，会造成巨大的安全隐患和经济损失。近年来，由于凝灰岩或凝灰质地层的膨胀特性引发的隧道病害时有发生[4-5]。

大量学者对膨胀岩的特性进行研究，力图减小膨胀岩给工程带来的危害和不便。在膨胀岩地区修建隧道工程时，需要对膨胀岩进行判别与分类[6-8]，依据膨胀岩膨胀性的强弱采取相应的支护措施。在施工过程中则应该秉持短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测的原则[9]。崔蓬勃等[10]发现通过加大注浆范围，且同时提高二衬的配筋率可以保证膨胀岩隧道二次衬砌的安全。

大量工程经验与理论研究表明，膨胀岩吸水膨胀是影响隧道结构力学性质的主要因素，目前关于膨胀岩的工程特性研究仅关注于围岩含水率和膨胀岩自身膨胀特征之间的关系，关于对膨胀岩地段隧道支护结构破坏机理的研究还不够充分。本文针对北普陀山隧道围岩膨胀引起隧道初期支护开裂的现象进行研究，借助有限差分软件FLAC3D，分析了膨胀性围岩的位移和支护结构的受力情况，并对该隧道支护结构的破坏机理进行了研究。

1 工程概况

北普陀山隧道位于辽宁省锦州市西北部的老虎沟镇和石门沟镇，为一条双线高速铁路隧道，隧道进口里程为DK76+455，出口里程为DK78+960，全长2505m,隧道位于中低山区，最高山峰海拔为273.73m，最低山谷高程为99.57m，相对海拔高差184.16m，山坡天然倾斜率大。隧道最大埋深94.32m。隧道内全段范围内纵坡为5.3‰下坡。前期地质勘测表明，隧道洞身岩性主要是侏罗纪系上统义县组J3y安山岩，弱风化，斑状结构，块状构造，节理和裂隙不发育，岩体比较完整。

2 北普陀山隧道膨胀破坏情况

2019年8月23日，北普陀山隧道出口在施工过程中，发现未施工衬砌段落局部初期支护喷射混凝土发生开裂，现场进行深入检查验证后发现：

（1）DK78+153~DK78+163段10m范围内，线左拱墙区域处围岩夹杂黄绿色黏土矿物，遇水软化呈胶泥状，初支表面局部有渗水痕迹，此段范围内初支混凝土开裂，集中里程为DK78+156；

（2）DK78+178处裂缝长度1.5m，DK78+175处裂缝长度3m，线右边墙底部出现喷射混凝土整体脱落，此处围岩呈灰绿色，呈层状松散结构，遇水软化，初支表面局部有渗水痕迹；

（3）DK78+200~DK78+212段12m范围内，仰拱及仰拱隧底在开挖后出现灰绿色岩石，呈松散状，遇水软化。仰拱基底揭示围岩线左区域为凝灰质砾岩，线右局部区域为安山岩，岩层接触位置有1m~2m宽的接触带，接触带位置基岩较破碎，岩性混杂。

2019年9月28日，北普陀山隧道出口在施工过程中发现DK78+077处线左边墙初支混凝土出现开裂剥落，外露围岩为灰绿色，呈层状松散结构，遇水软化，初支表面局部有渗水痕迹。

综上可知，北普陀山隧道在DK77+984~DK78+212段228m范围隧道开挖后，初期支护表面局部渗水，边墙初期支护喷射混凝土出现开裂、剥离、外鼓和脱落现象，其中初支开裂最为严重，并由现场测试出膨胀力最大的区段为DK78+093~DK78+165约70m范围。现场进行深入勘察，揭示该段落地质条件复杂，现场膨胀性试验结果表明，该区段典型岩样自由膨胀率（Fs）最大值为50%，蒙脱石含量（M）最大值为69.97%，阳离子交换量CEC(NH4+)最大值为534.54mmol/kg。根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB 10038-2012）中的各项指标，综合判定该段围岩具强膨胀性。

3 数值模拟

为研究该段膨胀岩隧道段落破坏机理，本文采用FLAC3D软件进行了模拟分析。

3.1 膨胀效应计算方法及假定

FLAC3D中的热力学模块可模拟材料中的瞬态热传导，以及因温度发展而产生的位移与应力。FLAC3D中能量方程的表达形式为：

式中:

qi——热流量向量，W/m2；

qv——体热源强度，W/m3；

ρ——密度；

Cv——在定体积中的热量，J/kg·℃；

T——温度；

t——时间。

对于静态、均一的各向同性固体，傅里叶定律可表达为：

式中：

T——温度；

k——热传导系数，W/m℃。

FLAC3D的热力学耦合是通过温度改变引起单元的应变而实现的，温度引起应变增量（Δεij）与温度改变量（ΔT）的关系为：

式中：

αt——温度线膨胀系数；

δij——Kronecker记号。

含有亲水性矿物的围岩由于裂隙水侵入发生膨胀的过程非常复杂，涉及物理与化学等过程，因此在采用FLAC3D进行模拟计算时，作了如下假设：

（1）岩土体应力的变化不会直接影响土体的温度，即热应力的分布仅与土体的温度相关，不会因结构应力的变化而发生改变。

（2）岩体在升温和膨胀过程中的某个阶段，其导热系数和膨胀率可以近似地认为都是恒定不变的数值。

3.2 模型建立及参数

根据北普陀山隧道设计资料，确定模型隧洞高11.43m，洞径14.10m，隧道埋深取最深为94m，由圣维南原理及相关数值模拟研究理论可知，隧洞两侧取隧道洞径3~5倍为宜，在本次研究取模型上、下、左、右边界均为隧道洞径的5倍，最终模型的尺寸为140m×70m×140m（长×宽×高）。模型隧道纵向长度为70m，研究范围对应于实际工程中由于凝灰岩与安山岩不整合接触带所造成的支护破坏最为严重的DK78+093~DK78+165区间。模型四周与底部边界约束法向位移，顶部边界考虑埋深94m，采用应力边界条件进行埋深的模拟，于上边界施加荷载，对模型范围内岩体单元采用应变软化莫尔-库伦本构。计算模型如图1所示。

图1 三维计算分析模型

发生膨胀性破坏区段仰拱尚未开挖，仅施作了拱墙初期支护，初期支护采用喷射混凝土，厚度0.05m，设计强度等级为C25。围岩采用实体单元进行建模，初期支护采用结构壳单元（shell）进行模拟。根据现场对围岩状态的描述，在施工开挖前，围岩呈现较为干燥且完整的初始状态，经现场膨胀性试验测得，围岩的初始含水率为5%左右。

3.3 模拟工况

模拟工况分为不考虑围岩吸水膨胀和考虑围岩吸水膨胀两种，两种工况具体内容如下：

（1）不考虑围岩吸水膨胀：不开启热力学模块，计算模拟步骤与现场施工一致，采用全断面开挖，循环进尺为2m，其中初期支护滞后于掌子面一个进尺施作。

（2）考虑围岩吸水膨胀：计算过程同上，但是需要开启热力学模块，为模型全范围设置0℃初始温度场，即对应实际地质条件中的初始含水率5%。围岩由于开挖过程的扰动而发生含水率的迅速上升，考虑扰动的时间效应，松动圈内围岩吸水膨胀与软化均滞后一个开挖循环发生。开挖后为松动圈内围岩赋予100℃固定温度，对应围岩饱和含水率35%，温度的升高对应于破碎的围岩含水率的上升。设定温度计算为主步，静力计算为从步，则可通过热-力耦合模拟出因开挖扰动而产生的围岩吸水膨胀效应。

3.4 计算结果分析

3.4.1 围岩位移

考虑到隧道的空间对称，以隧道区间中点横截面（Y=35）为研究断面，分析围岩膨胀对隧道结构带来的影响。在该断面的拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、左边墙、右边墙、拱底左、拱底右、拱底布设共10个围岩监测点。其中拱顶、拱底左、拱底右与拱底4个部位监测围岩的竖向Z位移，其余拱墙测点监测围岩水平X位移。

图2对两种工况的围岩竖向位移和水平位移随计算步序的变化曲线进行了对比。随着开挖循环的进行，各测点位移值逐渐增大。在开挖进行到监测断面之前，围岩整体变形均以较慢的速率进行，当开挖进行到监测断面时，由于开挖卸荷产生的临空面，使得监测点位移值均产生较大的突变，随着初期支护的及时施作，各测点位移值再次出现缓慢的变化。由计算结果可看出，考虑围岩吸水膨胀时，围岩的拱顶最大沉降值为10.63mm，仰拱最大隆起值为18.11mm，与普通开挖相比分别增大了2.03倍与2.56倍。围岩的水平位移主要发生在隧道拱脚与边墙位置，最大位移量为6.02mm，与普通开挖下水平位移1.29mm相比，水平变形量增大了4.67倍，且变形范围由于松动圈内膨胀岩的影响向拱部上方移动。计算结果表明，受扰动的围岩发生吸水膨胀后，仰拱底隆起在数值上最大。

图2 围岩位移步序曲线

进行对比可以发现，围岩的吸水膨胀会导致明显的围岩附加变形，同时由于膨胀性的影响，使得围岩位移速率明显加快。因此，围岩的膨胀效应会使隧道洞身产生明显甚至出现破坏的变形行为。从竖向位移可以看出，膨胀性对于隧道仰拱底的影响较大，从水平位移可以看出，膨胀性对于拱脚及边墙变形的影响较大。

3.4.2 初支应力

为了解隧道开挖全过程中膨胀性对初支压应力的影响情况，对初支结构上设置的7个监测点进行应力随步序进行的监测，以掌子面移动距离为横轴，各测点应力监测值为纵轴，绘制曲线可得到监测断面初支主应力随施工进行的变化情况，由于隧道左右对称性，仅考虑左侧测点计算值。

图3为两种工况的压应力影响对比图，膨胀性对于初支各部位的影响程度几乎相当，即初期支护整体会产生一个由围岩吸水膨胀性引起的附加应力。

图3 压应力影响监测对比图（MPa）

图4中对两种工况的隧道初支应力随掌子面推进的变化曲线进行了对比。由曲线可知，当掌子面进行到中心断面时开始监测，随着开挖循环的进行各测点压应力逐渐增大，初支整体由于膨胀力的作用而受压，由于初支不闭合而导致的拉应力消失，其中拱脚位置初支压应力的增长速率明显高于其他部位，说明在当前断面尺寸形状下，拱脚部位受开挖与膨胀的影响更大。初支最大压应力主要位于拱脚与边墙之间的区域，数值大小为26.81MPa，与普通开挖相比增加了2.9倍。根据C25混凝土极限抗压强度为18.5MPa，膨胀效应会导致初支受力为C25喷射混凝土的极限抗压强度的145%，因此在隧道拱脚、边墙部位可能出现初支混凝土开裂、剥落等不良病害，这与现场病害的勘察结果与描述相一致。

图4 初支应力的变化曲线

4 结束语

考虑包含膨胀性、软化性、膨胀范围等因素的围岩膨胀劣化效应，对北普陀山膨胀岩隧道进行三维热-力耦合数值模拟，分别对不考虑围岩膨胀性的普通开挖工况与考虑膨胀性的开挖工况进行模拟。研究了北普陀山隧道膨胀岩对隧道结构影响与机理，得到如下主要结论：

（1）较普通开挖情况而言，在围岩膨胀和劣化影响下，围岩拱顶最大沉降、仰拱最大隆起以及最大水平位移分别增加了2.03倍、2.56倍和4.67倍。膨胀性对仰拱底部的影响最大，隧道断面整体会产生向内挤的变形行为。对于未封底的隧道，膨胀引起隧道底鼓更为严重，隧道顶板及两帮围岩膨胀压力向底板传递，底板在强烈的膨胀压力作用下首先失稳，底板向隧道空间移动，隧道顶板及两帮围岩也向底板移动，加剧底鼓。

（2）围岩膨胀会对隧道支护结构产生明显影响，而导致其内部压应力数值超过C25初支混凝土的极限抗压强度，可能在隧道拱脚、边墙部位出现初支混凝土开裂、剥落等不良病害，这与现场实际的初支拱脚与边墙处出现喷射混凝土开裂与掉块的破坏情况一致。