降雨条件下膨胀性黄土隧道支护结构破坏特征

俞文生，刘蕙婷，晏　勤，张龙生，周小勇（.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西 南昌　0000；.江西交通咨询公司，江西 南昌　0000；.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南　5006）

降雨条件下膨胀性黄土隧道支护结构破坏特征

俞文生1，刘蕙婷2，晏勤3，张龙生2，周小勇2
（1.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西 南昌330000；2.江西交通咨询公司，江西 南昌330000；3.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南250061）

为了揭示膨胀性黄土隧道在降雨作用下围岩与支护破坏机理，采用有限元软件对膨胀性黄土地层中的静游隧道开挖进行数值模拟。结果显示：由于降雨，隧道拱顶上方塑性区贯通并产生较大位移，隧道上部坡体产生大面积塑性区并发生滑移；隧道支护结构破坏位置与实际情况一致，且由于膨胀力的作用隧道偏压更明显，应力大的一侧支护结构破坏更显著。因此需要对围岩进行加固，尤其是在应力较大的一侧应加强初期支护的强度。

膨胀性黄土；破坏特征；遇水软化；膨胀力；降雨

我国是黄土覆盖面积最大的国家之一，黄土广泛分布于华北、华中和西北地区［1］。由于膨胀性黄土的特殊性，黄土围岩隧道在干燥条件下具有较高的力学强度，隧道开挖后土体一旦遇水，将会导致围岩发生膨胀，力学强度急剧降低，从而影响隧道的稳定性。如果对黄土隧道破坏机理认识不清，就容易造成初期支护开裂，隧道及地表发生大变形，甚至塌方［2］。

何历超等［3］采用现场试验与数值模拟方法对某黄土隧道的支护结构进行了研究，比较了格栅与型钢2种支护结构对黄土隧道的支护效果和影响规律。孙即超等［4］对膨胀土的膨胀力进行了研究，采用牛顿迭代方法，计算确定了膨胀土边坡的膨胀参数和膨胀力公式。曾仲毅等［5］针对小河沟膨胀土隧道塌方现象，利用热传导膨胀来模拟膨胀土的增湿膨胀，分析了围岩含水率增加对隧道支护结构的影响。前人的研究主要集中在膨胀土的室内试验或支护结构对隧道的影响方面，本文结合已建黄土隧道的工程实例，采用数值模拟方法对隧道支护结构的破坏特征进行分析。

1　工程概况

静游隧道为双线隧道，全长1 803 m，最大埋深约82 m，最小埋深5 m。该隧道所处地段主要为黄土梁、黄土峁地貌，隧道进出口都为黄土所覆盖，交通较为便利。隧道处于膨胀性黄土地层中，在施工过程中发生过多次塌方，其诱发原因基本上都是受到地表水入渗的影响，或是降雨诱发洞口边坡滑塌。比较大的塌方有3次，2次发生在洞内，1次发生在洞口。其中最为严重的一次塌方发生时，近70 m的初期支护全部被压垮，造成巨大经济损失，延误工期近1年多。该塌方段埋深28 m，位于偏压地带，支护破坏情况见图1。

图1　支护破坏情况

隧道采用超前小导管或长管棚进行超前预支护。初期支护主要由间距0.8 m的I20b工字钢钢拱架、厚度0.25 m的 C20混凝土喷层、钢筋网和系统锚杆组成，系统锚杆采用普通砂浆锚杆。每榀钢拱架之间用钢筋沿隧道轴向焊接，约束拱架的横向变形，在拱部将拱架与超前小导管焊接为一体，复喷混凝土后形成一个整体。在监测初期拱顶沉降增长幅度较小，达到0.04 m后沉降变形稳定，直到塌方前1d沉降突然增大，最后一次监测值达到了0.236 m。

2　数值模拟

数值模型是以塌方断面为基准建立的准二维地质模型，考虑边界效应对计算的影响，模型的左右边界和下边界距离隧洞边缘为3～5倍开挖洞径［6］，即左右边界距离隧道中线60 m，下边界距离隧道底部50 m，上边界取至地表，隧道轴线方向长度取1 m。左右、前后和下边界位移约束都设置为法向约束，上边界为自由约束。建立的有限差分网格模型见图2，模型共划分了9 912个单元和12 835个节点。中部为隧洞开挖区域，土体采用六面体网格，力学本构采用摩尔-库伦本构模型。

图2　有限差分网格模型

考虑到黄土遇水膨胀，力学强度降低。所以在模型中增加膨胀力并降低围岩参数来模拟降雨对隧道稳定性的影响，计算中不考虑渗流作用。采用有限差分软件的计算流程见图3。

图3　计算流程

膨胀性黄土物理力学参数见表1。通过与相关工程试验数据比选，膨胀力取0.2 MPa［7］。

表1　膨胀性黄土物理力学参数

模拟时，土体采用六面体实体单元，锚杆支护单元采用Cable单元，初期支护采用Shell单元。为简化计算，将型钢拱架、钢筋网和喷射混凝土3种支护材料按照刚度等效的方法等效为对应厚度的 Shell单元进行计算。刚度等效计算公式为

EI=E1I1+E2I2+E3I3

式中：E为等效Shell单元的弹性模量；E1，E2，E3分别为喷射混凝土、钢筋网、钢拱架的弹性模量；I为等效支护结构的抗弯惯性矩；I1，I2，I3分别为喷射混凝土层、衬砌中钢筋、钢拱架的抗弯惯性矩。

由式（1）计算得出，等效支护结构的弹性模量E 为30×103MPa。

经过计算，降雨前由于围岩强度较高，隧道开挖支护后处于稳定状态，几乎不存在塑性区（见图4（a））。围岩沉降值较小，拱顶沉降在0.04 m左右，与现场实测数据一致。最大沉降部位在隧道左侧拱腰处，这是由于隧道偏压所致。

图4　降雨前后围岩塑性区分布（单位：m）

降雨后隧道围岩塑性区分布见图4（b）。可见，降雨后由于围岩强度降低和膨胀力的产生，隧道上部边坡产生较大的位移，出现明显的滑移面，塑性区贯通。其破坏形态与现场隧道围岩塌方十分相似。

经计算得到喷射混凝土层轴力，见图5。由图可见，支护结构最大轴力为5.91×103kN。隧道支护结构破坏最先出现在拱腰和侧墙位置。这是由于隧道地表为斜坡，围岩处于偏压状态，因此支护结构左侧轴力大于右侧。

图5　喷层轴力（单位：N）

模拟的喷射混凝土受压破坏形式与实际情况基本一致。根据现场观测，拱腰和侧墙初喷混凝土破坏，出现剥蚀掉块，并且由于混凝土喷层开裂，导致隧道两侧土体向隧道内部涌入，引起隧道塌方。

3　结论

1）在数值模拟计算中通过增加土体膨胀力并降低围岩参数能较为准确地模拟膨胀性黄土隧道支护结构破坏情况。

2）由于膨胀性黄土隧道围岩遇水后软化及膨胀，隧道拱顶上方塑性区贯通并产生较大位移，隧道上部坡体产生大面积塑性区并发生滑移。同时，支护结构破坏，围岩土体涌入隧道内部。

3）数值模拟显示的隧道支护结构破坏位置与实际情况一致，且由于膨胀力的作用，隧道偏压效应更明显，应力大的一侧支护结构破坏更显著。因此，需要对围岩进行加固，尤其是应力较大的一侧应加强初期支护的强度。

［1］谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向［J］.岩土工程学报，2001，23（1）：3-13.

［2］汪成兵，朱合华.埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（12）：2442-2448.

［3］何历超，王梦恕，李宇杰.浅埋大跨小间距黄土隧道支护技术研究［J］.岩土力学，2013，34（增2）：306-310.

［4］孙即超，王光谦，董希斌，等.膨胀土膨胀模型及其反演［J］.岩土力学，2007（10）：2055-2059.

［5］曾仲毅，徐帮树，胡世权，等.增湿条件下膨胀土隧道衬砌破坏数值分析［J］.岩土力学，2014，35（3）：871-880.

［6］苏晓堃.隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究［J］.铁道工程学报，2012，29（3）：64-68.

［7］朱豪，王柳江，刘斯宏，等.南阳膨胀土膨胀力特性试验［J］.南水北调与水利科技，2011，9（5）：11-14.

（责任审编葛全红）

Analysis of Failure Feature of Expansive Loess Tunnel Support Structure Under Rainfall Condition

YU Wensheng1，LIU Huiting2，YAN Qin3，ZHANG Longsheng2，ZHOU Xiaoyong2
（1.Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi 330000，China；2.Jiangxi Transport Consultation Company，Nanchang Jiangxi 330000，China；3.Geotechnical&Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China）

In order to study surrounding rock and support failure mechanism of expansive loess tunnel under rainfall condition，numerical simulation of Jingyou tunnel excavation in the expansive loess stratum was made by using the finite element software.T he results show that plastic zone is interconnected and a larger displacement is generated above the tunnel vault and a large area of plastic zone is produced and the slippage occurs in the upper slope of tunnel due to the rainfall，the failure position of the tunnel support structure is consistent with the actual situation，tunnel bias is more obvious under the action of expansive force，and the damage of support structure is more significant on the side of large stress，which means that the surrounding rock should be reinforced and the initial support strength should be increased on the side of large stress.

Expansive loess；Failure feature；W ater softening；Expansive force；Rainfall

U45

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.21

1003-1995（2016）08-0086-03

2015-10-20；

2016-05-20

俞文生（1976— ），男，教授级高工，博士。