雨水入渗对膨胀岩隧道及其围岩渗流场与应力场的影响分析

黄 韬,欧孝夺

(1.南宁市城乡规划设计研究院市政设计一所,广西 南宁 530002；2.广西大学,广西 南宁 530000)

0 引言

我国地质辽阔，多个省份都存在着大量的膨胀岩土。在修建地下隧道的过程中会经常需要穿越膨胀土[1]。由于膨胀土的特殊地质特性，给现代隧道的建设和运营带来了很大的挑战[2-3]。膨胀土由于其独特的涨缩特性和强度性质使得其在隧道开挖过程中会出现隧道衬砌结构变形和边墙开裂等现象，部分膨胀岩隧道在施工过程中处理不当会出现严重的病害，影响隧道的正常使用[4]。

国内外学者针对膨胀岩隧道的施工和其特性已有广泛的研究[5-7]。欧孝夺[8]等利用有限元软件分析了膨胀分布区地铁车站结构的内力分布情况。耿琳[9]等应用数值模拟方法研究了膨胀岩隧道保温防冻方法，为季冻区膨胀岩隧道冻害防治提供了很好的参考价值。陈钒[10]等对不同岩层走向的膨胀岩隧道进行了分析，阐述了膨胀岩的岩层走向对隧道建设的影响。本文主要结合膨胀岩隧道工程特性试验分析了雨水入渗对膨胀岩隧道及其围岩的稳定性能分析。

1 膨胀岩隧道围岩的应力分析

膨胀岩隧道在雨水入渗的情况下会产生岩体的缓慢滑动，随着雨水入渗的时间增加，隧道洞体四周的围岩会失去原有的应力平衡状态，当应力平衡状态被破坏时，隧道围岩在一定的范围内会发生应力重分布的现象[11-12]。当重分布后的应力超过围岩隧道的极限承载力时，岩体会出现局部破坏，最终引发隧道整体的破坏和坍塌。本文在分析雨水入渗对膨胀岩隧道围岩的影响时，主要应用的是泰沙基理论[13]。

泰沙基理论的理论基础是松散介质的平衡理论。隧道距离地面h处其围岩的竖向压应力为：

(1)

式中：σν、γ分别为围岩隧道的竖向压应力、围岩的容重；k、φ分别为水平应力和垂直应力之比、围岩的内摩擦角。

(2)

根据泰沙基理论对断面尺寸为3.5 m×3.5 m的隧道围岩进行测量，围岩的分类表如表1所示。

表1 隧道围岩分类表Table 1 Tunnel surrounding rock classification table岩体状态负荷高度/m说明坚硬,无损害0设置轻型支护结构大块,有节理(0～0.25)B局部荷载作用,变化无规律,设置轻型支护裂隙很多,块度很小(0.35～1.0) (B+H)无侧压挤压变形慢的岩土(1.1～2.1) (B+H)侧压很大,建议用圆形支撑膨胀性地质超过80圆形支撑,严重时考虑可缩性支撑注:表中H代表隧道高度,B代表隧道宽度。

从表1的隧道围岩分类可知：岩体的构造和其特征时隧道围岩分类的依据。

2 膨胀岩隧道工程特性试验

隧道的病害在很大程度上都与其围岩的变形相关，围岩的工程特性直接影响着隧道的健康运营状态[14]。本文以膨胀岩隧道为例研究了其工程特性，主要明确了膨胀岩隧道的基本物理力学参数和相应的膨胀特性指标，可以为后续的模拟分析提供一定的参考。

2.1 隧道围岩基本物理力学参数

膨胀岩隧道围岩相对于普通的隧道岩体主要的特点是吸水后会出现膨胀、失水后会出现收缩的现象[15-16]。同时，膨胀岩隧道围岩的吸水膨胀性与其开始的含水率和隧道土体的密度相关。

本文选取的膨胀岩隧道围岩土体的含水率试验结果如表2所示。

表2 膨胀岩隧道围岩土体含水率试验结果Table 2 Test results of water content of surrounding rock and soil of swelling rock tunnel试验次数盒/g烘干前/g烘干后/g差值/g干土质量/g含水率/%含水率均值/%119.5254.1649.864.3030.4714.32220.3556.4351.864.5730.6514.5414.35320.1254.6850.274.4128.7514.18

密度的试验结果如表3所示。

表3 膨胀岩隧道围岩土体密度试验结果Table 3 Test results of soil mass density of surrounding rock of swelling rock tunnel试 验次数环刀/g环刀加土质量/g土质量/g环刀体积/cm3密度/g·cm-3 平均密度/g·cm-3 平均干密度/g·cm-3 143.36151.70108.34601.85243.61150.98107.37601.821.821.58343.45149.21105.76601.79

根据土体的力学知识可知：土体的干密度和含水率可以相互转换，具体的转换公式如下：

(3)

式中：ρd、ρ分别为土体的干密度、密度；ω为土体的含水率。

通过土体的固结试验可以分析其压缩系数和相应的压缩特性。膨胀岩隧道围岩土体的固结试验结果如表4所示。

表4 膨胀岩隧道围岩土体固结试验指标Table 4 Consolidation test index of surrounding rock and soil of swelling rock tunnel压力/MPa变形量/mm孔隙比压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa00.0000.965——500.1420.9480.365.761000.2150.9390.2110.842000.2860.9320.0828.544000.3640.9230.0643.25

从表4和图1可以发现：随着隧道围岩承受的压力逐渐增加，土体的孔隙比呈现降低的趋势，压缩系数逐渐减小，同时土体的压缩模量逐渐增加。

图1 土体固结过程中的孔隙比 — 压力曲线

2.2 隧道围岩的膨胀特性

膨胀岩隧道土体含水率指标一般有膨胀含水率、自由膨胀率和膨胀的作用力等。本文主要通过自有膨胀试验分析膨胀岩隧道围岩的膨胀特性。土体的膨胀试验结果如表5所示。

表5 土体的膨胀试验结果Table 5 Soil expansion test results试样编2号蒙脱石含量/%自由膨胀率/%膨胀土分级117.850.8弱膨胀土215.546.7弱膨胀土318.150.9弱膨胀土417.149.4弱膨胀土515.347.3弱膨胀土

本文试验分别选择含水率为10%、15%、20%、25%、30%的土体试样研究土体膨胀的特性。试验结果如图2所示。

图2 不同含水率下的膨胀量

从图2中可以看出：土体的含水率大小直接影响着其膨胀量。土体的含水率越高，随着时间的增加，其最终形成的膨胀量越小。不同的含水率下，土体的膨胀量随着时间的变化趋势基本一致，可以大致分为3个阶段：膨胀量迅速增加阶段、膨胀量缓慢增加阶段和稳定不变阶段。其主要的原因是土体在开始阶段，其含水率较低，随着不断的吸水，土体逐渐变得饱和，吸水性能下降，最终达到稳定的状态。

3 雨水入渗下膨胀岩隧道的稳定性分析

膨胀岩隧道在雨水入渗的情况下，其围岩的膨胀岩体因为吸水膨胀性会出现体积变化的现象，严重时会导致土体的开裂。土体的开裂在一定程度上加快了雨水的入渗，使得围岩的整体含水率逐渐增加，最终使得隧道的稳定性能下降。本文利用有限元FLAC软件建立膨胀岩隧道围岩系统在雨水入渗情况下的数值模型，研究雨水入渗对膨胀岩隧道及其围岩的渗流场和应力场的影响。

3.1 数值计算模型

本文为了研究雨水入渗对膨胀岩隧道围岩的影响，在试验过程中分别进行了同变量参数的对照试验。试验隧道半径设置为3.5 m，隧道围岩衬砌结构的厚度为0.35 m，隧道断面尺寸为50 m×40 m。隧道的地下水位处于距地面15 m的深度，假定地表的雨水在入渗到隧道围岩的过程中无径流现象。试验的具体土层参数和水流量分布如图3所示。

(a) 试验土层分布

3.2 渗流场结果分析

为了分析雨水入渗对膨胀岩隧道围岩的渗流场影响，本文以降雨的时长作为变量，降雨的强度假定为5 mm/d。图4所示为降雨1～4 d情况下膨胀岩隧道围岩的饱和度变化情况。

从图4中可以发现：随着降雨时长增加，地下水位以上的土体压力由开始的零先增加后又逐渐减小。随着深度的增加，土体受雨水入渗时长的影响变小。当土体位于地下水位以下时，其处于饱和的状态，孔隙水的压力随着深度的变化呈现线性分布的趋势。当降雨时长逐渐增加时，雨水入渗的范围也逐渐扩大，土体达到饱和状态区域随着增加，土体的饱和区随着降雨时长的增加向更加深度扩散。

(a) 1 d

3.3 应力场结果分析

本文从降雨时长的角度研究雨水入渗对膨胀岩隧道围岩应力场的影响。图5所示为不同降雨时长隧道围岩竖直位移变化云图。

图6、图7分别为不同降雨时长隧道围岩竖直、水平位移量变化图。结合图5～图7可知：随着降雨天数的逐渐增加，隧道围岩的竖直和水平位移也逐渐增加。同时，隧道围岩的顶端和其底部的剪切破坏区域开始逐渐的向下延伸，隧道两侧的土体逐步出现隆起的现象。雨水持续时间的增加使得隧道围岩的土体可以收缩，增加了地表下沉的速度和范围。从图5可以看出：隧道围岩水平方向上的位移呈现对称分布的现象，土体含水率的增加导致了围岩的膨胀力也逐渐增加。

(a) 1 d

图6 不同降雨时长隧道围岩竖直位移量变化图

图7 不同降雨时长隧道围岩水平位移量变化图

4 结论

本文通过研究膨胀岩隧道围岩的工程特性分析了雨水入渗情况下膨胀岩隧道的稳定性能，主要得到的结论如下：

a.膨胀岩隧道围岩的膨胀试验表明：膨胀岩土体的含水率大小直接影响着其膨胀量。土体的含水率越高，随着时间的增加，其最终形成的膨胀量越小。不同的含水率下，土体的膨胀量随着时间的变化趋势基本一致，可以大致分为3个阶段：膨胀量迅速增加阶段、膨胀量缓慢增加阶段和稳定不变阶段。

b.雨水入渗的情况下，膨胀岩隧道顶部的围岩会发生沉降的现象，而隧道底部围岩基本不受降雨的影响，降雨入渗对膨胀岩隧道围岩产生了剪切破坏的效应。

c.随着降雨时间的增加，雨水湿润的土体面积也逐渐扩大，加快了土体含水率上升的速度，使地表的沉降量增加。同时，当降雨量达到一定的范围时，膨胀岩隧道的围岩土体膨胀力会随着其含水率的增加而增大，隧道围岩发生剪切破坏的范围也会逐步扩大。