徐钦健

(中铁九局集团第九工程有限公司，吉林长春 130021)

地下工程的施工常面临岩土性质的隐蔽性和不确定性，岩土体材料存在节理裂隙使得岩土体力学性质产生随机变异［1-3］。特别是对于膨胀性土质隧道，施工期极易因季节性强降雨的入渗，引起土层的强烈胀缩，物理、力学性质发生明显改变，导致隧道塌方失稳，局部甚至出现通天型塌方。开挖过程中，如果对特殊性土层处置不当，会造成连续不断的坍塌事故。目前对于公路路基膨胀性土的问题解决得较好，但是对于膨胀性土质隧道的研究在国内外相对较少。

国内外在膨胀性土的理论与试验、数值模拟等方面做了许多研究。文献［4］系统研究了膨胀性土的膨胀能力，认为要充分研究膨胀性土体的膨缩能力，最直接的办法是分析组成土体黏土矿物的类型与建立规范化的膨胀指标;文献［5］对膨胀性土的膨胀潜力与膨胀压力进行研究，认为通过控制膨胀性土中添加的纤维掺量与纤维高宽比，可以有效降低膨胀性土的膨胀潜势;文献［6］用有限元数值模拟方法分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响;文献［7］研究了膨胀性土的主要性状、边坡的稳定性分析与处理办法。

国内外对边坡影响下膨胀性土质隧道上覆土体塌方演化过程研究较少。本文采用数值分析软件，主要模拟洞室在开挖释放荷载作用下，因紧邻边坡滑移产生额外荷载，使膨胀性土质隧道产生坍塌，从位移、应力分布和破坏方式等角度揭示隧道塌方机制。

1 工程概况

山西省娄烦县一膨胀性土质隧道为双线铁路隧道，所处地段地貌单元主要为丘陵、梁及峁，山峰相连，冲沟发育，多呈“V”字形，出露高程约1 266～1 170 m，相对高差约96 m。地表多为种植土，出露巨厚的第四系上更新统风积、冲积砂质黄土。在地表下20～60 m为上第三系膨胀性土质，膨胀潜势为中～强。其中，第四系上更新统风积、冲积砂质黄土黄褐色，松散 ～密实，稍湿，成分以砂质土为主，层厚＞50 m，承载力在150～200 kPa。上第三系膨胀性土呈红褐色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂隙，斜交剪切裂隙发育，由细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，局部有钙质结核，出露地形坡度平缓(＜12°)，无明显的自然陡坎，承载力在150～200 kPa。地下水主要为孔隙、裂隙潜水，受地形地貌、基岩裂隙等发育程度控制，裂隙水主要补给来源为大气降水，以垂直排泄为主，径流排泄速度快。

隧道所在地区具有以下地质特点:梁峁起伏、坡度陡峻、沟深谷狭、高差悬殊是本区地貌的总体特点;以梁峁及树枝状沟谷组合为基本特征，梁峁间彼此沟壑相隔，地形坡度较陡，土质疏松，径流侵蚀作用强烈，冲沟十分发育，总体呈树枝状分布;由于坡度陡峭、高差悬殊、天然植被覆盖少，梁峁顶部至沟底的各种流水侵蚀都很活跃，容易成为滑坡、崩塌等重力地貌的集中发育地段。该膨胀性土质隧道纵断面如图1所示。

图1 隧道纵断面

2 上覆土体塌方离散元(UDEC)数值模拟

2.1 土体坍塌情况概述

建设期隧道受偏压、高仰边坡及地质特点的影响，膨胀性土吸水增湿膨胀，紧邻边坡发生滑移，挤压洞室发生塌方。空间形态上表现为边坡滑移方向与隧道前进轴线方向垂直。

这种空间形态的变形破坏，最先在边坡与支护结构作用面上出现一些与边坡运动方向垂直的裂缝，在接触面附近，裂缝发展变化最快。随着土体膨胀变形发展，裂缝面逐渐扩大，裂缝宽度逐渐增宽，逐渐发展出数量众多的次生相交裂缝。膨胀变形过程增大了对型钢及喷射混凝土结构的挤压，整个拱部与顶部向洞室内部方向变形，边墙结构逐渐剥离，底板弯曲变形，洞室向净空面收缩。随着时间的发展，初期支护体系被破坏，拱架屈曲，拱部与顶部结构剥落、位移，完全失去支撑能力，地表下陷，上覆土体下落涌入洞内。空间形态上边墙与腰部围岩滑移推动产生变形裂缝处的支护结构，腰部和顶部喷射混凝土逐渐剥落、初期支护掉块、型钢屈曲、裂缝密集增多并扩大。变形破坏过程由慢及快，衬砌结构逐渐丧失承载能力，直至变形过大，支护整体发生破坏，相互作用处土体垂直下落，掩盖隧道与支护体系，隧道发生洞内塌方。边坡滑移影响下衬砌裂缝如图2所示。

2.2 数值模型的建立

参照该膨胀性土质隧道设计参数，采用通用离散元软件UDEC模拟平面应变下的隧道开挖过程。依托地质资料、地质复勘和土体坍塌断面的揭示，统计发现主要存在3组节理，且埋深愈浅，表面节理愈发育。利用UDEC模拟软件自带的JSET命令将围岩生成3组带有随机参数分布的节理，具体参数见表1。

围岩采用摩尔—库伦(change cons=3)模型，节理采用库伦滑动模型(change jcons=2)模型。对于选取的DK75+230断面模型边界条件为侧向边界和底边边界设置法向约束，上表面设置自由边界，地应力按自重应力场添加，侧向压力系数取0.285，初期支护采用beam梁单元模拟。计算模型尺寸为115 m(宽)×103 m(高)。

图2 边坡滑移影响下衬砌裂缝效果

表1 节理参数

2.3 数值模拟结果分析

模拟计算洞室变形破坏、内部塌方时，块体间会因失去联结力而相互分离，继而通过不平衡力无法控制坍塌效果，因此通过稳态计算方法来控制计算过程。

1)位移矢量与竖向位移分布(图3)。由图3可以看出，顶部土体向右滑动挤压塌方区域土体，洞室上覆区出现大范围竖直方向位移。位移变形过大，支护结构破坏，土体沿竖直方向落入洞室，掩埋隧道。

2)最大、最小主应力分布。洞室内部发生变形破坏的最大、最小主应力分布如图4所示，可以看出，塌方过程中上覆土体很多区域块体最大、最小主应力均已变为0，说明块体间已失去联结能力，即洞室处于大体积坍塌滑落状态，直至坍塌过程结束，山体达到新的平衡。

3)土层增湿膨胀引起边坡滑移产生额外荷载，超过型钢抗压极限，引起支护结构屈曲变形，造成洞室衬砌变形破坏，导致围岩产生了较大的竖直方向位移，垂直下落充填、掩埋洞室。因边坡滑移影响，洞室内部左侧墙体最先受到荷载作用，边墙与拱顶出现裂缝，随着型钢变形破坏，裂缝密集增多、宽度扩大，支护结构脱落，上覆围岩受自重和额外荷载挤压作用，出现大量竖直方向位移。数值模拟结果见图5，实际破坏情况见图6。

综上分析，隧道开挖以后，围岩原有的天然应力状态被破坏，引起开挖区域附近应力重分布。围岩较容易在低围压和高应力差的环境下发生变形破坏，即便在有支护条件下亦是如此。当支护结构不能提供足够的支护力，或者说因边坡滑移而增加的额外荷载导致支护结构变形破坏，围岩变形得不到有效的约束控制时围岩变形随之产生。建设期洞室坍塌正是由于边坡滑移，产生额外荷载，使支护结构屈曲变形，直至破坏，上覆土体发生大体积塌方。

图4 最大、最小主应力分布

图5 模拟破坏情况

图6 实际破坏情况

综合数值分析结果与真实破坏情况，为避免类似隧道坍塌的发生，给出如下建议:

图3 洞室坍塌位移矢量与竖向位移分布示意

1)洞顶上方区域必须回填密实，顶部地表尽量卸载、反压，尽可能减少两侧土体对衬砌产生的不对称侧压，减小剩余偏压力对隧道整体稳定的影响。

2)边坡发生滑移，在变形可控范围，应立即封闭地表土体裂缝与衬砌贯通裂缝，尤其是滑移作用面附近的张开裂缝。洞室内部增加临时刚性支撑，并与初支结构连接形成整体，以增加洞室内部稳定性，控制围岩变形。

3)地表径向注浆。建议对洞室内部采用对穿注浆锚索加固拱部以上地层，从下往上，间隔跳孔注浆，防止大体积坍塌的产生。

4)初期支护增强。减少型钢排距，采用高强度、低回弹喷射混凝土喷射顶部及边墙，保证有足够承载力抵抗围岩变形。

3 结论

1)非饱和膨胀性土增湿膨胀，引起紧邻边坡滑移，产生额外荷载，附加在支护结构上，导致型钢屈曲、支护结构变形、破坏，形成洞室内部塌方。建设期隧道正是由于区域性强降水的入渗及引排水措施的不当引起了中等偏强膨胀潜势的膨胀性土膨胀变形，引起洞室坍塌。

2)数值分析结果表明，边坡滑移影响下，洞室内出现大范围竖向位移，位移最大值出现在土体顶部区域。发生变形破坏时，土体联结能力丧失，最大、最小主应力大部分已变为0;内部左侧墙体最先受到荷载作用，边墙与拱顶出现裂缝，随着型钢变形破坏，裂缝密集增多、宽度扩大，支护结构脱落，上覆土体进入隧道，掩埋洞室。模拟结果与现场真实情况破坏方式基本一致。

3)针对隧道的实际情况，结合数值分析结果，提出了以回填、封闭及注浆为主，以加强初期支护及采用新型高强、低回弹的喷射混凝土为辅的预防措施。

［1］汪宏，蒋超.浅埋偏压隧道洞口塌方数值分析与处治［J］.岩土力学，2009，30(11):3481-3485.

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