膨胀土隧道变形破坏的数值模拟

孙柏林 王寿治 路 为

(1.保宜高速公路建设指挥部，湖北宜昌 444200;2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088;3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250063)

膨胀性土是一种具有明显胀缩性和多裂隙的黏土，其对含水量十分敏感。具有遇水膨胀且失水收缩的显著特点，因此，膨胀性土对工程建设造成恶劣的影响，且具有反复性和长期潜伏性。在膨胀性土地区进行隧道工程建设是工程界公认的世界性难题，并且已经引起施工和科研单位的广泛重视。膨胀性土普遍分布在华北、华南等地区［1］。而这些地区又处于工程建设的繁荣期，由此引发的工程灾害给工程建设已经造成了难以估计的严重损失。由于膨胀性土存在多变性和复杂性，造成的工程建设灾害表现形式也复杂多变，因此膨胀性土灾害问题至今尚未根本性解决。在高原区修建隧道工程的过程中，不可避免的遇到膨胀性土。如何更好地预防并且治理膨胀性土带来的灾害，成为亟需解决的科研问题和施工问题［2］。膨胀性土是典型非连续介质的一种。通常采用模拟连续介质的有限元或有限差分法等对膨胀土的变形演化进行模拟，数值模拟效果不理想，无法直接的呈现非连续介质的变形演化［3］。本文采用离散单元法商用计算软件UDEC能很好的模拟膨胀土土质隧道变形失稳破坏全过程［4］，能够直观的呈现膨胀性土作为非连续介质的变形规律。

1 UDEC简介

离散元数值分析软件UDEC(Universal Distinct Element Code)是美国ITASCA公司基于离散单元法开发的大型商业数值分析软件。利用显式差分法，成为结构工程、岩土工程等提供科学高效的数值分析处理工具。UDEC能够应用于边坡的失稳破坏、岩土裂隙节理发育和地质构造断层等各个岩土工程及地下工程领域［5］。作为基于离散元方法的数值模拟工具，UDEC是一种理想的数值模拟软件，它可以在二维空间内科学详细、直观地描述表现离散非连续介质的力学变形特征［6］，且也可以用于研究颗粒状物质的细微破裂、裂隙扩展破坏等微观和细观岩体力学问题［7］。运用UDEC软件进行数值模拟的具体流程见图1。

2 模型建立与参数选取

根据某典型膨胀性土质隧道地质情况资料及山体前期塌方断面的揭示，研究发现该膨胀性土隧道所处的山体主要存在3组结构性节理，并且埋深越浅，表面节理越发育。因此，使用JSET命令，在隧道围岩内随机生成3组节理，其具体参数参见表1。根据前期的地质勘查资料，隧道开挖穿过的地层包含大量膨胀性土，其力学参数见表2。模拟中用到的节理裂隙参数和裂隙面的参数(径向刚度、法向刚度、粘聚力、裂隙宽度等)无法通过现有实验获得，依据工程经验及工程类比进行赋值分析。数值模型所使用的节理裂隙参数主要参考相关文献［9］，具体参数见表3。该隧道洞内使用C25喷射混凝土，采用Ⅰ20b型钢，相关参数见表4。

图1 UDEC的数值模拟计算过程

表1 节理参数表

表2 数值模拟岩层材料力学参数

表3 数值模型的岩层节理力学参数

表4 C25喷射混凝土与Ⅰ20b型钢参数

主要模拟膨胀土隧道在开挖释放荷载作用下，受到邻边坡失稳滑移的严重影响，从而对围岩产生额外荷载，导致隧道发生变形坍塌这一过程。隧道围岩的本构模型采用摩尔—库仑模型，节理的本构模型采用库仑滑动模型。选取DK75+230断面参数作为数值模型的初始边界条件。模型底边边界、侧向边界添加法向约束，上表面处理为自由边界。按自重应力场添加地应力，侧向压力系数取0.295。模型尺寸为115 m×113 m。

3 计算结果分析

UDEC进行数值模拟膨胀性土质隧道计算时，由于围岩中节理裂隙的存在，基于非连续介质的膨胀性土模拟计算结果，因此与基于有限元的数值模拟软件和基于连续介质模拟进行的数值计算差别显著。如图2所示初始地应力平衡之后，模型的竖向地应力syy的大小分布，并不是像有限元计算软件所给出的严格的随深度而规律性变化，而是局部呈现跳跃间断变化。

在计算变形失稳破坏、隧道塌方时，块体间相互运动分开。在不平衡力下，软件无法控制坍塌效果的显示。因此通过稳态计算，即人工设置计算时步，控制整个计算过程。图3是隧道模型计算step 50 000步隧道稳定后效果图。

图2 初始竖向地应力syy大小分布

图3 隧道失稳塌方模拟结果

由图3可以看出，开挖结束后，邻近边坡的滑移作用，对浅埋隧道施加了很大的额外荷载。并且荷载进一步作用在隧道的初期支护结构上，从而造成型钢屈曲变形。数值模拟结果表明:隧道顶部衬砌变形量达到1.2 m，并出现局部掉块，向净空方向发生较大变形。由此引起的进一步失稳破坏，进而影响到地表沉降，使得上部围岩在受自重和额外荷载挤压共同作用后，垂直陷落入隧道开挖的净空区域，进而掩埋初期支护结构。黑框部分为原隧道位置，局部放大如图3所示。

在考虑开挖应力释放的因素下，隧道围岩天然应力状态被破坏，进而导致开挖区域附近应力重分布。隧道顶部和底部竖向应力值下降幅度最大。隧道开挖、边坡滑移影响，顶部山体挤压塌方区域内山体，向右滑动，沿滑动方向出现大范围Y方向位移。位移过大从而导致支护结构变形破坏，山体沿竖直方向陷入隧道。具体的数值模拟结果的竖向位移矢量、分布见图4，图5。上覆围岩中局部块体最大主应力、最小主应力均变为零，表明模拟的单元块体之间已失去相互作用，即分离开来，洞室处于大体积坍塌滑落状态。边坡滑移对隧道围岩产生额外荷载，导致围岩荷载超过型钢极限抗压强度，型钢结构屈曲变形，支护结构变形破坏失去效果，从而造成隧道衬砌支护结构变形破坏。隧道围岩产生过大的Y方向位移，顶部围岩垂直下落。受边坡向右滑移的影响，隧道内部左侧墙体最先受到荷载冲击作用，边墙与拱顶交接处出现裂缝，随后裂缝密集增多、宽度增大，支护结构破坏失效，上覆围岩在自重和额外荷载的双重作用下，发生较大竖直方向位移。

综上所述，通过运用UDEC软件对特定剖面隧道变形演化的数值模拟分析，本文得出以下结论:1)隧道的开挖活动导致附近区域围岩天然应力状态遭到破坏，开挖区域附近应力场重分布。2)当荷载超过围岩支护结构的强度极限后，围岩变形得不到有效的约束控制，进而出现失稳破坏、变形过大等现象。3)膨胀性土质隧道出现坍塌的重要原因是:边坡滑移产生的额外荷载，然后作用在下部隧道围岩体上，挤压钢拱架等初期支护结构，从而导致型钢屈曲变形破坏，围岩整体出现较大的Y方向位移，进而造成隧道内部及山体表面产生大范围裂缝。

图4 洞室坍塌位移矢量分布

图5 隧道失稳破坏竖向位移分布

4 结语

本文通过运用UDEC软件，针对膨胀性土质隧道变形破坏，模拟了在邻近山体发生滑移失稳情况的隧道围岩坍塌破坏过程，并做出详细的数值模拟分析，从而研究分析出其破坏的原因，得出结论。通过对特定选取隧道断面的变形失稳过程的模拟，反演了整个隧道变形破坏过程，表明隧道开挖建设期隧道极易受到邻近边坡滑移影响。由于边坡山体滑移产生的额外荷载，然后额外荷载作用在隧道的支护结构上，挤压型钢及支护结构屈曲变形，洞室内部及地表出现大范围裂缝甚至坍塌等失稳破坏灾害。通过对膨胀性土质隧道变形失稳破坏整个过程的数值模拟分析研究，为避免类似地质条件下膨胀性土质隧道受邻近边坡滑移诱发大体积坍塌灾害的发生，本文给出以下施工建议:1)浅埋段隧道顶部区域必须回填密实，顶部地表尽可能的卸载反压，避免两侧土体对隧道初期支护及二衬结构产生不对称的外荷载［8］。2)膨胀性土质隧道邻近边坡出现滑移现象，在变形可控范围，应立即封闭加固地表山体裂缝以及衬砌贯通裂缝。隧道掌子面前方增加适量的刚性支撑，并与初支结构形成整体支护结构［9］，控制围岩变形在合理范围内，确保隧道的稳定性。3)施工时出现此类灾害，建议地表径向进行密实注浆，隧道内部采用对穿注浆锚索，以加固隧道内拱部以上地层，由下而上，跳孔间隔注浆，防止大体积塌方的发生。4)加强隧道的初期支护，减小型钢排距，采用早高强喷射混凝土进行初期支护的喷锚，从而提供足够支护能力抵抗可能发生的围岩变形。

［1］周 坤.膨胀性土隧道衬砌膨胀力数值模拟研究［D］.成都:西南交通大学土木工程学院，2007.

［2］马 涛.浅埋隧道塌方处理方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，25(S2):3976-3981.

［3］A.Seco，F.Ramírez，L.Miqueleiz，et al.Stabilization of expansive soils for use in construction［J］.Applied Clay Science，2011(51):348-352.

［4］袁俊平，殷宗泽.考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟［J］.岩土力学，2004(10):67-72.

［5］Itasca Consulting Group.UEDC(Universal District Element Code)Version 4.0，Users Manual［M］.USA:Itasca Consulting Group，2005.

［6］郑澄锋，陈生水，王国利，等.干湿循环下膨胀土边坡变形发展过程的数值模拟［Z］.

［7］张艳刚.膨胀土边坡稳定性的FLAC分析［D］.南宁:广西大学，2005.

［8］李树忱，徐钦健.膨胀性土质隧道围岩级别划分与支护对策研究［J］.山东大学学报，2012，42(4):79-86.

［9］胡威东.离散单元法在岩石隧道中的应用研究［D］.成都:西南交通大学硕士学位论文，2006.