膨胀岩地区隧道围岩力学性能及变形规律研究

蒙晓新 张凯

作者简介：蒙晓新（1983—），工程师，主要从事交通基础设施施工建设管理、项目投资运营管理等工作。

为研究膨胀岩地区隧道围岩力学性能及破坏模式，文章依托某高速公路隧道实际工程，通过室内岩石力学试验分析了膨胀岩的力学特性和膨胀特性，然后通过FLAC3D软件对该隧道进行建模与计算，分析膨胀性围岩对隧道变形的影响规律，得到如下结论：（1）膨胀岩试样在三轴压缩条件下的应力-应变曲线主要经历了弹性、屈服和破坏三个阶段，三轴抗压强度随着围压的增大而增大；（2）试样初始含水率较低时，其膨胀系数更大，前期变形速率更快，进入变形减速阶段的时间更晚，达到平衡状态所需的时间更长，最终的膨胀系数数值更大；（3）膨胀性围岩的膨胀作用对隧道拱底隆起变形的影响最大，围岩变形程度随围岩初始含水率增大而逐渐减小，围岩的初始含水率＜15%时，围岩的变形程度较大，在进行支护时应重点考虑膨胀围岩膨胀力的影响。

膨胀岩隧道；力学性能；围岩变形规律；数值计算；FLAC3D软件

U456.3+1A381344

0 引言

随着我国经济的快速发展和交通强国战略的不断推进，我国现已成为世界上隧道数量最多、规模最大、范围最广、工程条件最复杂、发展最迅速的国家［1］。由于我国西南地区山区面积大，地质情况复杂，在建设隧道的过程中往往需要穿越诸多不良地质区域，如软弱围岩、膨胀围岩、富水地层等，隧道的施工安全面临巨大挑战。在膨胀岩地区开挖隧道时，围岩卸荷及膨胀作用导致的应力重分布会使隧道结构产生剧烈挤压，隧道围岩的膨胀和收缩会加剧隧道内部的渗水和衬砌剥落等现象，对于隧道的建设产生极大危害。对于膨胀岩的力学特性以及穿越膨胀岩地层的隧道围岩稳定性的研究已有了较多成果。王军等［2］对不同含水率的红砂岩进行了室内直剪试验，得到了膨胀岩的粘聚力和内摩擦角与含水率之间的对数关系。赵二平等［3］对南水北调中线工程的膨胀岩开展三轴循环加卸荷试验，试验结果发现可用负指数函数来表征膨胀岩的应变增加量与循环次数之间的关系。曾志雄等［4］对不同初始含水率的延吉膨胀岩压实试样开展了3种水力路径的一维压缩试验，研究了不同水力路径下的膨胀岩变形特性。郭永春等［5］研制了膨胀岩三轴膨胀力的测试装置，通过先放试样后施加约束的试验方式克服了岩石与容器壁有释放变形空隙的局限性，解决了现有规范中对膨胀岩的膨胀力测试结果偏小的问题。杨军平等［6］利用南宁地区的膨胀土进行了膨胀围岩的隧道物理模型，并对模型进行了五次干湿循环，研究了干湿循环条件下膨胀围岩的胀缩演变规律，分析了干湿循环作用对膨胀围岩的劣化作用。赵凡等［7］依托某穿越石膏质岩地层的隧道实际工程，基于隧道典型断面病害的监测数据，利用FINAL软件对围岩的膨胀参数反演，发现隧道围岩的最大膨胀半径与膨胀系数为正相关的关系。曾仲毅等［8］推导出热传导膨胀模拟膨胀岩增湿膨胀的替代方程，利用FLAC 3D软件的热-力耦合模块对某膨胀围岩隧道进行数值仿真分析，得出支护结构的受力变形特性随含水率及膨胀力的变化规律。

本文依托某膨胀性围岩地区的高速公路隧道实际工程，通过室内岩石力学试验分析了膨胀岩的力学特性和膨胀特性，然后通过FLAC 3D软件对该隧道进行建模与计算，分析膨胀性围岩对隧道变形的影响规律。

1 膨胀岩力学特性试验研究

1.1 工程概况

本文依托某高速公路隧道实际工程，对膨胀岩的力学特性及膨胀岩地区隧道围岩的变形规律进行研究。隧道全长2 505 m，所处的地貌类型为中低山区，最大埋深约为94.3 m，隧道围岩的岩性主要是块状构造的弱风化安山岩，岩体完整，节理裂隙不发育，因此在勘察阶段判定其为Ⅱ级围岩，通过全断面法进行隧道开挖。但在施工过程中发现部分开挖段出现局部初期支护喷射混凝土开裂和渗水现象，进一步调查发现隧道穿越安山岩和凝灰质砾岩的接触带，接触带位置处的围岩较为破碎且岩性混杂，通过现场膨胀性试验结果判定接触带位置处的围岩具有弱膨胀性，属于膨胀性岩体。

1.2 膨胀岩三轴压缩试验

由于已有研究发现，原状膨胀岩的物理力学性质与实验室制得的重塑膨胀岩间存在较大区别，因此本试验通过对原状膨胀岩岩块进行钻孔取芯和切割机切割的方法得到高度100 mm，直径为50 mm的标准试样。试验设备采用高温高压岩石三轴仪，分别在围压σ3=2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa条件下进行三轴压缩试验。

对膨胀岩的三轴压缩试验结果进行分析，得到不同围压条件下三轴压缩试验的应力-应变曲线，如图1所示。试样在三轴压缩条件下的应力-应变曲线主要经历了3个阶段：第一个阶段为弹性阶段，应力-应变曲线基本为一条直线，即在该阶段应力和应变之间为正比关系；第二个阶段为屈服阶段，试样内部的裂隙数量逐渐增加，随着应力的增大，应变增大的速率开始增大；第三个阶段为破坏阶段，试样内部的裂隙互相贯通，发生剪切破坏，此时应力达到峰值并出现明显下降，但仍具有一定的残余强度。膨胀岩的三轴抗压强度随着围压的增大而增大，当围压分别为2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa时，试样三轴抗压强度值分别为25.8 MPa、29.1 MPa、35.5 MPa，即围压由2.0 MPa增大至4.0 MPa，试样三轴压缩抗压强度相对于围压为2 MPa时分别增大了12.8%（3 MPa）和37.6%（4 MPa）。

根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-201）中提供的计算岩石各力学参数的方法计算岩石的弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角，如表1所示。

1.3 侧向约束无荷膨胀率试验

岩石的侧向约束膨胀率是指岩石标准试样在有侧限条件下浸水后轴向变形与试样原高度的比值。鉴于膨胀岩具有遇水泥化的特性，取芯具有很高的难度，且重塑后的岩样内部的亲水性矿物的成分与含量均与原状岩样一致，重塑岩样可以很大程度表征原状岩石的膨胀特性，故本次采用61.8 mm×20 mm的重塑岩样进行膨胀岩的侧向约束无荷膨胀率试验，试验在固结仪中进行，设置初始含水率分别为5%、10%、15%、20%、25%。经过分级加水后，发现当含水率达到35%后继续加水，水无法进入试样内部，即该膨胀岩的饱和含水率为35%。

对试验结果进行分析，得到膨胀岩的侧向约束无荷膨胀率试验结果如表2所示，绘制不同初始含水量的膨胀岩试样的膨胀曲线如图2所示。

如图2所示，随着试样初始含水率升高，其膨胀系数减小，前期变形速率减小，进入减速变形阶段的时间提前，达到平衡状态所需的时间缩短，最终膨胀系数的数值减小，膨胀率增大速率出现由快变慢的拐点时对应的相对含水率增大。不同初始含水率的试样吸水膨胀后具有不同的膨胀系数，即试样的膨胀系数与其初始含水率有关，二者间大致呈线性关系，因此采用线性函数对试样的膨胀系数和初始含水率之间的关系进行拟合，得到拟合函数式（1）。

可根据式（1）得到该类膨胀岩在不同初始含水率条件下吸水膨胀达到饱和的膨胀系数。

2 考虑围岩膨胀性的隧道数值模拟研究

2.1 数值模型的建立

本文通过FLAC 3D软件进行数值模型的建立与计算，利用FLAC 3D软件的热-力耦合模块模拟膨胀围岩的膨胀效应。依据实际隧道断面建立数值模型，其中隧道洞径r=14.0 m。为减小由边界效应引起的计算误差，选取的数值模型的尺寸为140 m×70 m×140 m（长×宽×高），其中x轴为水平方向，y轴为隧道轴线方向，z轴为竖直方向。选取围岩松动范围作为计算的膨胀范围，根据董方庭等［9］提供的经验公式计算得本文所研究的隧道的松动圈厚度约为1.22 m，故对开挖后1.22 m厚度范围内的围岩施加温度场模拟围岩膨胀作用，建立数值模型如图3所示。为减少边界效应的影响，取隧道纵向的中间断面（Y=35.0 m）作为监测面，监测点设置如图4所示，其中拱顶、拱底监测围岩的竖向位移，其余测点监测围岩水平位移。

边界条件设置为：约束模型四周的法向位移，约束模型底面的水平和法向位移，顶部边界考虑埋深的作用，施加方向向下的等效埋深94 m的岩土体重力的应力边界。模型的初始地应力场仅考虑为重力场，在模型完成初始地应力平衡后，执行隧道开挖的命令。采用全断面进行隧道开挖，循环进尺为2.0 m，初期支护滞后掌子面2.0 m。

本文选用FLAC 3D软件中的应变软化摩尔-库伦模型作为岩土体的本构模型，选用弹塑性本构模型作为初期支护的本构模型，数值模型的计算参数如表3所示。

2.2 计算结果分析

根据数值计算结果，得到仅考虑开挖条件和考虑开挖和围岩膨胀共同作用两种工况下监测断面各监测点的最终变形值，如图5所示。

如图5所示，膨胀性围岩的膨胀作用对隧道变形具有不利影响，其中对拱底隆起变形的影响最大，隧道断面产生向内挤压的变形，尤其对未封底的隧道，围岩膨胀导致的隧道拱底隆起变形更为严重，隧道拱顶及两侧围岩的膨胀压力均向拱底传递，使隧道拱底位置在强烈的膨胀作用下首先失稳，拱底位置处的围岩产生流动现象，向隧道内部移动，隧道拱顶及两侧的围岩向拱底流动，进一步加剧拱底的隆起变形。

2.3 初始含水率对膨胀岩隧道影响性分析

根据膨胀岩的侧向约束无荷膨胀率试验结果可知，初始含水率对膨胀岩的膨胀性具有很大影响，上一节中分析了初始含水率为5%的膨胀岩在隧道开挖过程中的变形，发现膨胀岩的膨胀作用对隧道的稳定性会产生很大的影响，故本节对初始含水率分别为5%、10%、15%、20%、25%的膨胀围岩5种工况进行数值计算，分析初始含水率对膨胀围岩隧道开挖的影响规律。根据数值计算结果，得到不同膨胀围岩初始含水率下的隧道开挖面围岩洞周位移如图6所示。

由图6可知，隧道围岩的变形程度大致呈现随初始含水率增大逐渐减小的规律，分析原因为：当围岩初始含水率较低时，围岩中存在较多孔隙，遇水后的吸水能力更强，吸收的水分更多，产生更大的膨胀压力。当围岩的初始含水率为5%和10%时，隧道围岩的变形程度较大且二者数值较为接近；当围岩的初始含水率为15%时，隧道围岩的变形程度出现较大程度的降低；当围岩的初始含水率为20%和25%时，隧道围岩的变形程度再次出现一定程度的降低且二者数值较为接近。即当围岩的初始含水率＜15%时，围岩的变形程度较大，在进行支护时应重点考虑膨胀围岩膨胀力的影响，避免后期产生较大的膨胀变形，导致隧道结构发生破坏。

3 结语

（1）膨胀岩试样在三轴压缩条件下的应力-应变曲线主要经历了弹性、屈服和破坏3个阶段。三轴抗压强度随着围压的增大而增大，围压由2.0 MPa增大至4.0 MPa，试样三轴压缩抗压强度相对于围压为2 MPa时分别增大了12.8%（3 MPa）和37.6%（4 MPa）。

（2）试样初始含水率较低时，其膨胀系数更大，前期变形速率更快，进入变形减速阶段的时间更晚，达到平衡状态所需的时间更长，最终的膨胀系数数值更大，膨胀率增大速率出现由快变慢的拐点时对应的相对含水率越小。

（3）膨胀性围岩的膨胀作用对隧道变形具有不利影响，其中对拱底隆起变形的影响最大。隧道围岩的变形程度大致呈现随初始含水率增大逐渐减小的规律，其原因为初始含水率较低的围岩中存在较多孔隙，遇水后的吸水能力更强，吸收的水分更多，产生更大的膨胀压力。当围岩的初始含水率＜15%时，围岩的变形程度较大，在进行支护时应重点考虑膨胀围岩膨胀力的影响。

参考文献

［1］王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路［J］.隧道建设，2014，34（3）：179-187.

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［3］赵二平，李建林，王瑞红.不同应力路径下膨胀岩力学特性试验研究［J］.人民长江，2014，45（3）：83-86.

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［5］郭永春，赵峰先，闫圣龙，等.红层泥岩三轴膨胀力的试验研究［J］.水文地质工程地质，2022，49（3）：87-93.

［6］杨军平，王沾义，周立新，等.干湿交替条件下膨胀围岩胀缩规律的试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2017，14（1）：117-125.

［7］赵凡，高晓静，杨香英，等.膨胀岩隧道围岩膨胀参数反演分析［J］.现代隧道技术，2021，58（S1）：20-28.

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