膨胀岩对隧道围岩的影响分析

文/ 刘锦成

引言

膨胀岩是含有蒙脱石和伊利石等亲水粘土矿物的岩体，具有吸水膨胀、失水收缩的性质，可往复胀缩变形，属于软岩范畴。

在含水率变化的影响下，这种含有亲水矿物的岩石体积将会发生较大变化，因此膨胀岩具有遇水体积膨胀、岩体软化崩解和失水收缩开裂等工程特性。

因膨胀岩遇水情况，引起的病害发生在我国很多运营和修建的隧道中，例如衬砌变形和开裂等。膨胀岩遇水变质，导致我国很多修建或是运营中的隧道出现补砌变形、开裂等现象。

诸多专家学者一直关注膨胀岩在隧道工程中的影响，郝中海等学者分析了陈家山隧道的膨胀岩施工，提出此类工程较合适的施工工序和在此过程中的注意要素。

符亚鹏结合工程实际，分析铁路隧道在膨胀岩层中的病害概况以及隧道防排水设计、隧道断面形状等，针对仰拱提出提高强度、刚度，增大仰拱矢跨比等一系列优化措施。

周勇狄等学者综合分析了大华岭隧道膨胀岩等级判断和在膨胀岩地段隧道的设计原则以及支护措施，并通过模拟结构设计和施工方案，表明可采用加固隧道拱脚支护、提高基底稳定性、采用高质量注浆材料进行注浆加固等方式来保障施工和运营过程中的隧道稳定性。

薛彦瑾等学者选取等效蒙脱石含量、阳离子交换量、自由膨胀率和液限为泥岩膨胀性判别指标,提出了泥岩膨胀等级分级标准,采用改进层次分析法、基尼系数法和直觉模糊理论确定了判别指标组合权重,基于逼近理想解排序法（TOPSIS法）建立了泥岩膨胀性直觉模糊综合评价模型。

张宗堂等学者采取了某地区不同粒径的膨胀岩岩样，并采取室内浸水崩解试验,推导了不同循环次数和不同初始粒径的膨胀岩崩解分形维数计算公式。计算结果表明:分形维数随着初始粒径和循环次数的增加而增大。

本文以我国西北某隧道为工程依托，利用数值模拟手段，探究隧道围岩在弱膨胀作用下不同膨胀范围内的稳定性。

工程概况

我国西北部建设的某隧道，左右线全长约5km，隧道最大埋深400m，东部和南部因古老地层褶皱而隆起，形成山地地貌。北部因受地质沉陷和红、黄土层沉积，形成黄土丘陵地貌。隧址区地层按其时代及成因分类，在勘察深度范围内上覆地层为第四系全新统滑坡堆积（Q4del）黄土状粉土，第四系上更新统风积（Q3eol）黄土，新近系（N）泥岩、泥质砂岩，下伏基岩为前寒武系牛头河群（Pz1nt1）花岗片麻岩场地广泛分布的第三系泥岩、砂质泥岩为易崩解的膨胀性岩。根据室内试验成果，泥岩自由膨胀率(Fs)36～41%,阳离子交换量CEC(NH4+)174～209mmol/kg,蒙脱石含量(M)7.3～84,具弱膨胀性。

膨胀岩隧道受力特征有限元模拟

采用ABAQUS有限元软件对隧道进行三台阶模拟开挖，并采用热-应力耦合功能，实现隧道膨胀性围岩在一定范围内的膨胀。膨胀范围内的围岩状态由干燥到膨胀，对应的温度从0℃到20℃，弱膨胀性对应的温度膨胀系数为1.0×10-4/℃。模型的边界范围：隧道顶部至上下边界距离均为50m，隧道中轴线距左右边界均为50m。隧道开挖高度为11.3m，跨度15.7m：初期支护为厚度27cm的C25喷射混凝土，架立I20a型工字钢，钢拱架间距为0.8m。根据膨胀范围的不同设置四组工况，如表1所示。隧道横断面测点如图1所示。

计算结果分析

围岩变形分析

1.隧道开挖扰动引起应力重分布使得围岩发生位移变形，在围岩尚未发生膨胀前，竖直和水平方向的位移均处于较小水平，其中，拱顶沉降量和仰拱隆起量大于水平方向位移，水平方向拱腰处的收敛位移最大。

2.当隧道支护完成，围岩发生膨胀变形，对支护结构产生进一步的压迫作用，将导致各位置的变形量全部增大。在水平方向，拱脚处收敛位移量变化最大，不同膨胀范围下约为拱腰和拱肩处位移变化量的2-4倍；在竖直方向，仰拱隆起变化量远远大于拱顶沉降变化量，原因是由于边界条件的设置，隧道模型在膨胀荷载作用在发生整体向上位移，以至仰拱隆起变化量远远大于拱顶沉降，但隧道在竖直方向上仍呈现出向隧道中心收敛的趋势，符合工程实际经验。

3.如图2所示，随着围岩膨胀范围的增大，将引起围岩变形量也随之增大，水平方向最大收敛发生在拱脚处，而最大变形一直发生在拱顶处。

塑性区分析

1.隧道上台阶开挖支护完成后，围岩塑性区主要分布在上台阶底板两侧，塑性区最大深度约为2m；中台阶开挖支护完成后，围岩塑性区主要分布在中台阶墙角处和中台阶底板两侧，塑性区范围约为上台阶的两倍；在下台阶及仰拱开挖后，围岩塑性区一直延伸至隧道拱脚处。由上分析，施工时要注意不同开挖部位连接处的支护强度，初次衬砌施工中要注意打设锁脚锚杆的数量和质量，控制钢拱架接头板的强度等。

2.隧道开挖完成后，围岩塑性区主要分布在隧道拱脚处，要注意隧道拱脚处的最不利位置发生破坏；随着膨胀范围的不断增大，塑性区范围向拱底方向略有延伸，塑性应变极值也随之增加。因此在施工时应注意仰拱要尽早闭合，在必要时可增加仰拱处喷射混凝土的厚度。

结论

1.隧道开挖后，围岩总体变形趋势为：围岩变形向隧道中心收敛，最大变形一直发生在隧道拱顶处。围岩膨胀后，在水平方向上对拱脚的影响远远大于拱肩和拱腰；由于边界条件的设置在竖直方向上仰拱隆起变化量远远大于拱顶沉降变化量。

2.在隧道开挖过程中，塑性区范围一直出现在每个台阶部位的墙角处和底板的两侧，因此在隧道分布开挖过程中要注重不同开挖部位连接处的支护强度。

3.随着隧道围岩膨胀范围的增大，因膨胀变形产生的膨胀压力也不断增大，导致围岩破坏程度增大，造成隧道各测点的变形量均有增加，围岩塑性区略有延伸，塑性应变极值也有所增加。