张勇强
陕西交通公路设计研究院有限公司 陕西西安 710000
摘要：盾构隧道在膨胀岩土地层掘进会扰动周围地层，改变其含水率，引起膨胀层局部膨胀，在衬砌上形成附加膨胀荷载。如何确定盾构衬砌的膨胀荷载是膨胀岩层盾构隧道衬砌结构设计的关键。本文对膨胀岩土地层修建盾构隧道引起的局部膨胀荷载进行了详细的分析。
关键词：膨胀地层；盾构隧道；膨胀荷载
岩土膨胀是一个复杂的物理-化学-力学过程，在吸水过程中伴随着强度的软化，而含水率的变化是这一过程的主导因素。受盾构隧道施工扰动的影响，膨胀岩土的局部膨胀会产生一定的附加荷载，对衬砌结构的受力影响较大。基于此，本文采用理论和数值分析方法针对膨胀岩土局部膨胀引起的荷载增量进行了研究。
一、膨胀岩土概述
膨胀岩土又叫胀缩土，它是一种特殊土，是在地质作用下形成的一种主要由亲水性强的粘土矿物组成的多裂隙并具有显著膨胀性的地质体。由于其在土体中杂乱分布的裂隙及反复胀缩变形造成强度衰减的特性，所以常给人类的工程建筑带来严重破坏，造成许多地质灾害。
膨胀土的粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成。在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，颜色为黄、红、灰白色，裂隙发育，常见光滑面和擦痕。其吸水膨胀、失水收缩并且反复变形的性质，以及土体中杂乱分布的裂隙，对路基、轻型建筑、机场、岸坡及堤坝等都有严重的破坏作用。
膨胀岩土干时坚硬，遇水软化，在自然条件下多呈坚硬、硬塑状态，结构致密，自由膨胀率一般大于40%，呈棱形土块者常具有胀缩性，棱形土块越小，胀缩性越强。土内分布有裂隙，裂缝发育，方向不规则，常有光滑面和擦痕，裂缝中常充填灰白、灰绿色粘土。膨胀岩土多为细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，土内常包含钙质结核和铁锰结核，呈零星分布，有时也富集成层。
二、地层局部膨胀力学模型
地层局部膨胀时，膨胀区域周边受到衬砌和地层约束作用。假定膨胀区域在隧道径向上长为L，环向上高为H，在环向和径向分别受到地层的弹性约束作用。考虑到衬砌刚度较大，当位移约束时得到的膨胀力最大，故可以偏于安全地将隧道衬砌侧视为位移约束，而地层则为弹性抗力约束，单位面积上的抗力系数分别为。该模型简化后的示意如图1。
图1 地层局部膨胀示意
该类型下的膨胀问题实际上为在初始应力下的膨胀软化问题。设初始应力场为，初始应变场为：
式中：分别为土体膨胀前的弹性模量和泊松比。
设土体膨胀软化后的应力应变为，有边界条件：
代入膨胀软化后的本构方程有：
解该方程组即可获得膨胀后的应力。现给出当时的应力分布解如下：
实际上相对于膨胀后土体而言，无膨胀区地层及隧道衬砌的抗力系数很大，即：
故，一般有：
岩土局部膨胀后，衬砌作为边界在径向上的应力增量为：
式中即为计算隧道周围土体局部膨胀后地层应力改变的理论依据。而实际上由于岩土吸水软化，膨胀后有
故一般情况下有
从以上分析可看出，地层局部膨胀后引起的衬砌荷载改变与膨胀力大小、膨胀前的应力水平、周围土体及衬砌的抗力系数、膨胀后土体的物性参数等因素有关，而且一般情况下岩土局部膨胀引起的应力增量往往小于室内测得的膨胀力值。
三、地层局部膨胀荷载特征
1、模型的建立。隧道埋深为15m，位于具有膨胀性的黏性土层，膨胀岩在隧道径向上的厚度为2m。假定岩土膨胀发生在隧道建成后，岩土膨胀前地层的应力应变场、衬砌结构内力等通过盾构隧道的开挖模拟来实现。根据室内测试数据，取土体自由膨胀率为45%，烘干土样吸水至天然含水率时产生的体积膨胀率为21%，即=8%。
计算中同时考虑了多种工况组合。其中岩土局部膨胀发生的位置考虑了顶部、两侧和底部3种工况，膨胀的范围包括圆心角30°，60°，90°等3种情况。同时保持自由膨胀率不变，将极限膨胀力分为300，200，100 kPa等3种工况。
从图2可看出，与顶部地层膨胀相同，两侧地层膨胀时，室内测得的膨胀力越大，局部膨胀引起的衬砌径向压力增加越多。当两侧膨胀范围为90°时，中间部分的膨胀压力受边界效应影响较小，在该情况下，当膨胀力为300 kPa时，岩层局部膨胀后，膨胀范围内的衬砌径向压力增加了约159 kPa；当膨胀力为200 kPa时，岩层局部膨胀后，膨胀范围内的衬砌径向压力增加了约90 kPa；当膨胀力为100 kPa时，膨胀范围内的衬砌径向压力减少了7 kPa。同样，在膨胀区两侧，受土体膨胀的影响，衬砌上的径向压力降低，该区域为膨胀效应影响区，约在膨胀区两侧45°范围内。该情况下，并未因地层局部膨胀而发生地层与衬砌脱离的现象。同样，若膨胀区范围较大，其他区域衬砌上的径向压力也会受到影响，如图2（c）。
图2 侧部局部膨胀下衬砌径向压力分布
与顶部膨胀工况相比，即使膨胀参数完全一样，侧部膨胀引起的衬砌径向压力增量要明显低于顶部地层膨胀情况。其主要原因在于侧部地层初始应力水平要高于顶部区域，这说明相同膨胀力情况下，初始应力水平越高，局部膨胀引起的应力增量越小。
当膨胀岩位于隧道底部时衬砌所受的径向压力分布如图3。从图3可看出，以底部90°范围膨胀为例，当膨胀力为300，200，100kPa时，岩层局部膨胀后，膨胀范围内的衬砌径向压力分别为353，267，151kPa；增加了132，46kPa及减少了约70kPa。若膨胀范围较大，膨胀区两侧会发生衬砌与地层的局部脱离，而且在膨胀影响区范围外，衬砌的径向压力也受到一定影响，如图3（b、c）。
图3 底部局部膨胀下衬砌径向压力分布
底部地层膨胀时，引起的衬砌径向压力增量要明显低于顶部和侧部地层膨胀情况，当膨胀压力为100kPa时，衬砌承受的径向压力甚至减小了70kPa，其主要原因在于隧道底部地层应力水平要高于顶部和侧部区域。即在相同膨胀力情况下，若地层应力水平越高，则局部膨胀引起的应力增量越小。
四、结语
综上所述，岩土膨胀变形实际上是由于岩土吸水引起的土体积变化，该变化是一个相当复杂的物理-化学-力学效应作用的过程，除了取决于膨胀土本身的物质组成与微结构特征，还与膨胀土所处环境条件有关。因此，如何确定衬砌上膨胀荷载的大小，成为膨胀岩土地层盾构隧道衬砌结构设计的关键。
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论文作者:张勇强
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第2期
论文发表时间:2019/9/5
标签：地层论文; 岩土论文; 局部论文; 隧道论文; 应力论文; 盾构论文; 荷载论文; 《建筑细部》2019年第2期论文;