穿越富水断层破碎带隧道结构受力及变形特性试验研究*

周慧文,王志红,高联斌,焦立群,王建伟

(山西黎霍高速公路有限公司,山西 长治 046000)

0 引言

目前,高速公路隧道在建设过程中面临的水文、地质、气象、地形地貌等条件越来越复杂,其不可避免地穿越断层带、围岩破碎带等不良地质条件［1-2］。由于断层破碎带为地下水提供了良好的下渗通道,隧道受地表强降雨、地表径流、人工排水等影响,极易产生富水段,导致地下水汇集至隧道支护结构背后,诱发隧道产生突泥涌水、结构开裂、底板隆起、渗漏水等一系列地质灾害,严重威胁隧道施工及运营安全［3-4］。

国内外学者针对穿越断层富水带隧道的研究主要集中在地质灾害形成机理、设计施工优化处治技术研究方面［5-10］。吴金刚［5］依托石峡隧道穿越软弱断层破碎带的工程背景,采用自进式管棚、加强初支、锁脚锚管等手段对施工方案进行优化,提高隧道施工安全性;张付军［6］依托武九高楼山公路隧道的工程背景,分析断层破碎带对隧道围岩稳定性的影响及各影响因素的敏感性,为隧道施工安全提供技术支撑;徐锋［7］以鸿图特长隧道为依托,采用数值模拟手段研究隧道穿越断层破碎带渗流场、位移场的耦合特征,并在此基础上提出了施工优化措施;唐锐［8］结合折多山隧道穿越富水断层破碎带的现场工况,全面揭示其地质灾害的形成机理,并提出了多重手段相结合的协同处治技术体系。然而,上述研究成果均针对某工程案例开展研究,其富水断层破碎带工况过于单一,未形成系统的研究成果。因此,本文结合太岳山特长隧道的富水断层破碎带工况,设计了多种富水工况,揭示隧道结构的受力及变形特性,以期为隧道施工及运营安全提供技术支撑。

1 工程概况

太岳山隧道为青兰高速山西境内黎城至霍州段控制性工程,左右洞长度分别为11 135,11 160m,为双向四车道分离式特长隧道,其设计时速为80km/h,隧道建筑限界宽度为10.25m,高度为5.0m,隧道正常段路面横坡为2.0%,汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。太岳山隧道自东向西穿越太岳山主脊,其山体峰峦叠嶂,山势险要,地形起伏较大,地表冲沟侵蚀发育,地貌复杂多变,隧道最大高差达到815.86m。该隧址区属剥蚀中山起伏山区,其受地质构造影响严重,地表横断面呈V字形,沟底狭窄,水系密度为6～8条/km。隧道洞身段的主要围岩为黑云角闪斜长片麻岩、石英岩,其风化裂隙较发育,岩体极破碎,岩芯多呈碎块状,局部为碎裂状结构,且多种结构面发育。

受区域构造的控制,隧址区内断层破碎带、褶皱成为其最为发育的构造类型。根据现场地质勘探结果,隧址区断层破碎带呈张裂性破碎,其导水通道与地表水关系密切,且渗透系数较大,为地下水的下渗提供了良好通道,导致隧道在施工过程中涌水量较大,总体达到中等富水等级,局部隧道段达到强富水标准。该隧道在施工过程中多次穿越断层破碎带,其断层带两侧挤压现象严重,伴随有构造裂隙发育,断层及构造裂隙的相互作用,导致局部围岩极为破碎,严重影响隧道掌子面围岩的整体稳定性(ZK142+228处掌子面断层破碎带,如图1所示),易产生隧道结构大变形及围岩塌方、掉块危险,威胁隧道施工安全。部分隧道段地下水类型丰富,主要为岩体裂隙水,且由于断层破碎带为地表水下渗提供了通道,加之隧道开挖形成汇水廊道,导致岩体裂隙水受地表水的补给较为充分,且深层岩体内的裂隙水受到浅部断层破碎带裂隙水的补给,使得局部围岩含水量较大,隧道多处产生涌水、渗漏现象(ZK142+350处掌子面线状出水,如图2所示)。

图1 隧道掌子面断层破碎带情况Fig.1 The fault fracture zone of tunnel face

图2 隧道掌子面线状渗水Fig.2 The linear seepage of tunnel face

2 模型试验设计

2.1 模型试验系统

结合太岳山隧道富水断层破碎带的实际情况,本模型试验重点在于模拟隧道围岩裂隙水入渗、水位上升两种富水工况下隧道结构的受力及变形规律。首先,在模型箱设计方面,本模型试验的几何相似比确定为CL=35,考虑隧道结构模型的尺寸及消除边界效应影响的需求,模型箱尺寸最终确定为长度1.7m,高度1.6m,宽度0.86m。其次,本模型试验系统主要由加载系统、加载板、底座、空心方钢、有机玻璃板、阀门、渗水管等构成,其中模型箱两侧的有机玻璃板上布设有多组渗水孔,以满足不同富水工况下渗水管的布设需求,具体情况如图3所示。

图3 隧道模型箱结构Fig.3 Tunnel model box structure

2.2 测试项目及测试方法

为全面分析穿越富水断层破碎带隧道结构的受力及变形特性,本模型试验重点测试隧道衬砌结构弯矩、轴力及整体变形。隧道衬砌结构弯矩及轴力通过在衬砌模型拱顶、左右拱肩、左右边墙、左右拱脚及仰拱部位的内外两侧分别布设电阻式应变片进行监测,测得应变值后,可根据衬砌模型材料的相关力学参数及截面尺寸计算出弯矩及轴力,其具体计算公式如下：

(1)

(2)

式中：M为弯矩;N为轴力;E为衬砌模型材料弹性模量;εi,εe分别为模型内外两侧的应变值;b,h分别为衬砌模型截面的宽度和高度。

为准确监测富水断层破碎带影响下的隧道结构整体变形,本模型试验在模型箱外侧做标记线,并用高清数码相机对隧道衬砌结构进行全过程拍摄,获取隧道变形的高清图片,再采用GetData Graph图像处理软件提取关键点的变形数据。

2.3 试验方案

太岳山隧道洞身段埋深较大,受多条断层破碎带的影响,地表水大量下渗,且受隔水层的影响,隧道基底部位围岩含水量不断增大,进而导致地下水位上升;同时,在隧道开挖卸荷作用的影响下,围岩裂隙水逐步汇集到隧道衬砌背后,导致隧道周边围岩含水量不断增大。因此,本模型试验重点模拟隧道地下水上升及周边裂隙水下渗两种工况,并根据实际情况将各工况分成3个阶段,通过布设渗水管以实现各状态的精确模拟,具体情况如图4所示(考虑到本图为对称结构,图中仅显示左半部分),具体参数如表1所示。

表1 隧道模拟工况具体参数Table 1 Specific parameters for tunnel simulation conditions

图4 隧道模拟工况示意图(单位：cm)Fig.4 Tunnel simulation working conditions(unit：cm)

2.4 试验过程

本模型试验在完成模型箱制作、相似材料配备、衬砌模型制备等准备工作基础上,需开展以下6个操作步骤：①贴应变片 在衬砌模型内外两侧关键部位确定应变片粘贴位置,用砂纸将表面打磨平整,再用502胶水将其粘贴牢固;②画刻度线 在隧道模型PVC板外侧用水彩笔画出网格线刻度线,其间距为5cm×5cm;③分层填土并夯实 将围岩相似材料分层填筑至模型箱内部,每层厚度不超过10cm,用橡胶锤夯实;④预埋隧道模型 待相似材料填筑到适当高度时,放置隧道模型,继续填筑相似材料并夯实;⑤布设渗水管 在隧道模型两侧对称布设渗水管,根据不同渗水阶段布设相应的渗水管,从而通过阀门准确控制富水状态;⑥系统调试 将应变片引线连接至静态数据采集仪,采集3次数据取平均值作为初始值,在模型正前方架设高清相机,实时采集模型整体变形图片,其具体试验步骤如图5所示。

图5 隧道模型试验主要步骤Fig.5 Main steps of tunnel model test

3 试验结果及分析

3.1 弯矩及轴力结果分析

利用上述模型试验系统,模拟分析穿越富水断层破碎带工况下的受力及变形规律,并利用数据采集系统每隔1min读取一次数据,试验整个过程持续4h,根据测得的隧道衬砌模型应变值,经计算所得弯矩及轴力曲线如图6,7所示。

图6 隧道衬砌弯矩变化曲线Fig.6 Tunnel lining bending moment variation curve

从图6中可以看出,随着隧道周边岩体裂隙水的不断入渗,隧道衬砌弯矩值普遍增大,尤其是测点2,3处的弯矩值增幅较大,其在裂隙水入渗第3阶段增大幅度分别达到了42%,24%,最大弯矩值出现在测点2处,其值为22.3kN·m。而随着地下水位的不断上升,除测点2,3处弯矩值小幅波动外,其余弯矩值均明显下降,尤其是测点8在地下水上升第3阶段出现负弯矩值。原因在于断层破碎围岩在地下水影响下强度大幅衰减,弱化隧道仰拱部位与围岩相互作用,而隧道衬砌左右两侧边墙及拱脚部位在周边裂隙水入渗后压力增大,导致仰拱部位受力呈现出“扁担状”,即仰拱中间部位正弯矩减小并出现负弯矩。

从图7中可以看出,隧道衬砌轴力均为负值,即衬砌结构处于受压状态,且随着周边裂隙水的不断入渗,轴力值普遍增大,尤其是仰拱部位的测点6～8处的轴力值增加幅度较大,其最大增幅达到34%。在地下水位上升过程中,各测点的轴力变化趋势不同,测点4,5处的轴力值逐步减小,而其余测点处轴力值大幅增加。原因在于随着周边裂隙水的入渗及地下水位的上升,隧道衬砌结构应力产生重分布,导致轴力分布极不均衡,严重影响隧道结构整体稳定性。

图7 隧道衬砌轴力变化曲线Fig.7 Tunnel lining axial force variation curve

3.2 整体变形结果分析

在模型试验开展过程中,采用高清相机每隔1min获取1张隧道衬砌结构整体变形的图片,结合PVC板外侧刻度线,采用专业图像处理软件提取衬砌结构关键位置处的变形数据,所得变形曲线结果如图8所示,其变形实际情况如图9所示。

图8 隧道衬砌整体变形分布Fig.8 Distribution of overall deformation of tunnel lining

图9 隧道模型衬砌变形情况Fig.9 Deformation of tunnel model lining

从图8中可以看出,受周边裂隙水入渗及地下水位上升的影响,隧道衬砌整体产生了较大变形,其最大位移值产生在测点1处,即隧道衬砌拱顶部位向上隆起6.4mm;而测点4,5处产生了向内的位移,最大值为4.1mm。可见,隧道受地下水影响下拱部承受剪切变形,并伴随发生有开裂、掉块现象,具体情况如图9所示。对于仰拱部位而言,其受周边裂隙水入渗的影响下产生向下的位移量,最大值达到3.1mm,而随着地下水位的上升,其位移值逐渐转变为向上的位移,并产生了底板隆起病害。此原因在于地下水位的上升导致隧道基底处围岩强度大幅衰减,其承载力严重不足,且拱脚部位应力增加,使得仰拱部位应力分布不均衡,诱发底板隆起病害的产生。

4 结语

基于室内模型试验的测试结果,本文初步分析了穿越富水断层破碎带隧道面临的周边裂隙水入渗、地下水位上升工况下隧道衬砌结构弯矩、轴力及整体变形规律,得到以下结论。

1)受周边裂隙水入渗及地下水位上升因素的影响,断层破碎带围岩强度大幅衰减,衬砌仰拱与围岩相互作用减弱,但隧道左右边墙及拱脚部位在地下水入渗后压力增大,使得仰拱部位受力呈“扁担状”,衬砌整体弯矩分布不均衡。

2)在周边裂隙水入渗过程中,隧道衬砌轴力均为压应力,其仰拱部位轴力明显增加,其最大增幅达34%;而随着地下水位的上升,隧道衬砌应力产生重分布,导致轴力分布极不均衡,严重影响隧道结构整体稳定性。

3)根据隧道衬砌整体变形的试验结果,隧道衬砌受地下水影响下其拱部承受剪切变形,并伴随有开裂掉块现象,而由于地下水导致隧道基底部位围岩强度大幅衰减,承载力降低,诱发底板隆起病害的发生。