1、膨胀岩地层隧道结构力学特性分析摘要：膨胀岩的膨胀率、膨胀力大小及分布范围影响着隧道主体结构安全。以兰新二线西宁隧道工程建设为背景，基于岩盐水理试验成果，充分考虑膨胀岩的工程地质特性，通过对比分析对隧道衬砌结构的安全性做出评价和建议，为类似工程区隧道结构设计提供一种新思路。 Analysis of mechanical behavior of tunnel supporting under swelling rock stratum C. Xu (China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd. Xian710043) Abst
2、ract: The safety of tunnel supporting structure is influenced by swelling ratio, swelling force and distribution range. Under the background of Xining tunnel construction of Lanzhou-Xinjiang second track, an estimate and suggestion of tunnel lining safety are done based on the water physical propert
3、ies analysis and the engineering characteristics of swelling rock. It can serve as a reference for similar engineering construction. Keywords: swelling rock，tunnel supporting，mechanical behavior 中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号： 作者通讯方式：西安市雁塔区西影路 2 号 作者简介： 徐冲（1984） ，男，工程师，主要从事地下工程、岩土工程方面的研究.。 1. 引言 众所周知，膨胀岩是否
4、会表现出其膨胀性受很多因素的制约，包括岩体的初始含水量、干密度、岩石结构等，甚至与相应工程的施工因素也密切相关，如膨胀岩在没有受到扰动时，其膨胀性是极其微弱的。本文根据岩盐（石膏岩）室内水理及力学试验，测定该类岩体膨胀率及膨胀力规模，依据铁路工程特殊岩土勘察规程 （TB 10038-2001）确定西宁隧道围岩盐岩（石膏岩）的膨胀性等级1。为保证隧道施工与结构的长期安全与稳定，采用荷载-结构模型法对西宁隧道典型的膨胀性围岩地段隧道结构分别在不考虑和考虑膨胀力的两种不同情况进行结构力学特性分析，以此评价衬砌结构的安全性与稳定性。 2. 项目简介 2.1 工程概况 西宁隧道位于青海省西宁市，西宁车站
5、出站端，隧道总长 5743m。隧道地质状况极其复杂，其中级围岩 1310m，级围岩 2740m、级围岩1650m。西宁隧道进口段 1368m 浅埋段位于西宁市区，洞身拱部基本位于黄土地层，边墙及仰拱位于细砂、卵砾石土或石膏岩、泥岩中，埋深约1225m，下穿兰西高速公路、小北川河及多处民用建筑物，施工难度极大。 2.2 设计概况2 表 1 V 级加强围岩初期支护参数表 图 1 膨胀岩地段 V 级加强双线复合式衬砌 岩盐（石膏岩）地段往往伴随易溶性、膨胀性、腐蚀性三大工程特性。膨胀性作用直接影响隧道结构的耐久性、安全。针对西宁隧道岩盐（石膏岩）强发育地段，采用 V 级加强双线隧道复合式衬砌结构，结
6、构设计参数见表 1。 3. 衬砌结构安全评价 3.1 围岩压力计算 根据铁路隧道设计规范 （TB10003-2005）可知，计算深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其垂直及水平匀布压力的作用标准可按下列规定确定3。 （1）垂直匀布压力可按式（1）计算确定。 （1） （2） 式中 宽度影响系数， B坑道宽度（m） ； iB 每增减 1m 时的围岩压力增减率：； q围岩垂直匀布压力（kPa） ； 围岩重度（kN/m3） ； h围岩压力计算高度（m） ； s围岩级别。 对于膨胀岩地段 V 级加强型双线隧道复合式衬砌，取=20kN/m3，s 取 5，取 i=0.1，根据图 1 坑道宽度在考虑施工预
7、留变形量和施工误差基础上取 B=15.26m，则垂直匀布压力为q=20（0.452(5-1)）（1+0.1（15.26-5） ）=291.74kPa。针对膨胀性，检算时分两种工况，工况一：不考虑围岩的膨胀性，围岩压力取上述按照规范计算的结果。V 级加强型的侧压力系数取 0.5。工况二：考虑围岩的膨胀性，围岩压力在规范计算的结果（即工况一）基础上，加上膨胀力 489kPa。 计算衬砌内力时，取初衬承担围岩压力的 70%，二衬承担围岩压力的50%。具体如表 2 所示。 表 2 隧道衬砌计算荷载汇总 3.2 衬砌结构计算 在衬砌检算时，要对衬砌进行节点划分，将衬砌划分为 40 个单元，如图 2 所示
8、。衬砌内力离散为有限杆单元采用弹性链杆法 FORTRAN 编程计算。 图 2 有限单元离散示意图 以下针对考虑膨胀力和不考虑膨胀力两种情况，对 V 级加强型衬砌结构断面进行计算复核，对比分析不同工况下结构工作性态，确定膨胀力对结构安全的影响程度。 弹性链杆法 FORTRAN 程序中初衬及二衬内力计算数据如表 3 所示。 表 3 V 级加强型衬砌下初支及二衬计算参数 注：括号内数据表示工况二条件下取值 3.3 计算结果分析 图 3-a 工况一初衬轴力图（kN）图 3-b 工况一初衬轴力图（kN） 图 4-a 工况二初衬弯矩图（kN）图 4-b 工况二初衬弯矩图（kN） 上图 34 分别为初支结构
9、的轴力和弯矩分布情况，其中，a 图表示工况一不考虑膨胀力，b 图表示考虑膨胀力。显而易见，工况一和工况二条件下衬砌的受力规律相同，这是因为本计算考虑为全断面施加膨胀压力的原因，并未分区块、分量级施加膨胀压力，与实际情况稍有区别；此外，从计算数据可知，工况二下衬砌明显负载较大，关键部位受力大小突出。在不调整衬砌参数的条件下会降低衬砌安全系数。限于篇幅，二衬受力情况与初支类似，不再累述。 依据铁路隧道设计规范 （TB10003-2005）第 11 部分按照破损阶段法和容许应力法检算的相关规定，根据隧道衬砌结构所受不同的荷载组合，进行强度安全系数计算，其单元系数分布如下图 5 所示。 由图 5 可见
10、，在考虑膨胀力条件下，无论是初支还是二衬，支护结构整体安全系数下降，初支平均安全系数由 3.25 变为 1.28，二衬安全系数由 9.15 变为 3.77。其中，断面拱脚单元 2831 和 3740 的安全系数在考虑膨胀力作用下已经不能满足规范要求，结构偏于不安全。 图 5-a 不同工况下初支安全系数分布图 图 5-b 不同工况下二衬安全系数分布图 综上所述，V 级加强型衬砌在不考虑围岩的膨胀力作用时，基本上满足规范要求。当考虑围岩的膨胀力作用时，从整体上讲，衬砌结构不满足规范要求，其中初衬结构相对于二衬结构安全性更低，就结构部位而言，仰拱部分属于结构的最薄弱环节，在有膨胀力作用时要考虑加强。
11、 考虑到西宁隧道及附近类似的盐岩（石膏岩）地段隧道大部分处于干燥状态，不具备产生膨胀力的条件，因此所设计的隧道结构在不考虑围岩膨胀力的条件下是基本可以满足工程需要的。但考虑到膨胀岩产生膨胀的必要条件水之外，其膨胀性能还与施工扰动，尤其是施工造成的膨胀岩含水量的变化有很重要的关系。且施工中水会向隧道下部积聚，因此坑道底鼓是可能的主要变形特点与施工病害，故在膨胀岩地段开挖后应尽早进行坑道底部处理以及加强仰拱支护。 4. 结论 本文针对岩盐（石膏岩）地区隧道工程衬砌安全控制问题，从工程应用及指导施工角度出发，基于膨胀力实验、数值仿真技术，对该区隧道支护的主要设计原则及参数做出对比分析，得要以下有益结
12、论： （1）岩盐区隧道结构设计必须充分考虑膨胀岩膨胀率水平，膨胀力发育部位等关键参数影响，有必要结合数值技术进行相应断面参数优化；（2）膨胀力作用条件下，隧道衬砌整体安全性降低，局部部位如仰拱、拱脚均为高风险部位，可通过加大仰拱刚度、改善拱脚仰拱曲率过渡及矢跨比等措施，提高衬砌整体安全性； （3）岩盐（石膏岩）不但具有膨胀性，同时受其化学组分的影响，对衬砌结构具有腐蚀性，隧道衬砌设计中亦考虑因侵腐产生的结构弱化作用。 参考文献 1 铁路工程特殊岩土勘察规程 （TB 10038-2001）S背景：中国铁道出版社。2001. 2 西宁隧道设计图Z. 西安：中铁第一勘察设计院，2009. 3 铁路隧道设计规范 （TBJ10003-2005）北京：中国铁道出版社，2004.
