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        富水斷層隧道高位排水工法及其作用效果研究

        2012-09-20 06:17:46張志強何本國王志杰李化云劉赟君
        巖土力學 2012年11期
        關(guān)鍵詞:排水量排水管掌子面

        張志強,何本國,王志杰,李化云,劉赟君

        (西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031 )

        1 引 言

        對于施工中的隧道,掌子面圍巖穩(wěn)定性是決定隧道開挖安全性的重要指標。在隧道開挖過程中,地下水是影響掌子面穩(wěn)定性的最常見、最棘手的問題之一[1-3]。我國作為一個多山之國,山地地貌占全國總面積的60%,西部腹地更是層巒疊嶂。伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展而來的大規(guī)?;A(chǔ)設(shè)施建設(shè),隧道工程日益增多,我國已成為世界上建成隧道總長最大、數(shù)量最多的國家,同時也是隧道穿越各種工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件最復(fù)雜多變的國家[4-6]。特別在我國南方地區(qū),山嶺海拔高、地下水資源豐富。在這種大埋深富水地層里,地下水和破碎斷層、溶洞、甚至隧道泥石流連通作用,造成開挖時掌子面的突水、突泥、翻漿冒泥、塌方等災(zāi)害[7-10]。

        突水、突泥引起工程災(zāi)害相對普遍,但當今對此方面的研究缺乏系統(tǒng)理論支持,因此,隧道施工面臨此類情況時表現(xiàn)出很大的隨意性甚至盲目性,使得實際工程常常表現(xiàn)出兩種極端現(xiàn)象[11-12]:一是對富水地層盲目地封堵而無法得到預(yù)期效果,造成浪費和施工困難,甚至發(fā)生事故;另一種是在未探明地下水分布前提下,盲目地對地下水進行排放,造成水環(huán)境破壞。通過高位排水工法對掌子面前方核心土體實現(xiàn)疏水降壓,降低掌子面失穩(wěn)潛在因素,保證超前帷幕注漿效果,進而提高掌子面穩(wěn)定性,實現(xiàn)安全快速施工。因此,本文以現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬為基礎(chǔ),研究不同水位條件下,高位排水工法與隧道穩(wěn)定性之間相關(guān)關(guān)系,提出最優(yōu)高位排水管分布方案,對富水斷層隧道圍巖控制都具有重要的理論意義。

        2 現(xiàn)場實測及高位排水概況

        2.1 工程概況

        泥巴山大相嶺隧道連接四川省雅安市漢源縣與滎經(jīng)縣,是雅西高速公路重點控制工程。隧道最大埋深大約為1 660 m,全長為10 007 m,屬于特長深埋山嶺公路隧道。

        大相嶺隧道 C7合同段左線在鉆孔過程中,發(fā)現(xiàn)干燥的掌子面突然出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,20 min后,炮孔中開始滿孔出水,1 h后,掌子面左側(cè)拱腳處出現(xiàn)較大涌水,經(jīng)監(jiān)測,日涌水量達17 000 m3,掌子面涌水情況如圖1所示。在K61+091處水壓最高處進行水位測試,最高水位達到 1.98 MPa,屬于 F6-1斷層破碎帶,為斷層構(gòu)造巖,原巖為流紋巖,呈紫紅夾青灰、灰白色。斷層帶內(nèi)巖石破碎,擠壓成碎粉及斷層泥,并有次級斷層,圍巖主要呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)或角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu),破碎帶寬約3~5 m,上、下盤影響帶寬約30~40 m,推測該斷層應(yīng)為施查溝斷裂帶的主斷層,斷層走向為N35~40°W,傾向 NE,傾角 60°~75°。斷層發(fā)育在元古界震旦系流紋巖中,斷層上下盤巖層均向西傾,其中上盤產(chǎn)狀 328°∠28°,斷層與巖層大角度相切。斷層構(gòu)造巖結(jié)構(gòu)疏松,見斷層泥,并有滲水現(xiàn)象。此斷層在工程可行性階段鉆孔和沖溝中多處均有揭露,在BZK2孔深113.62 m以下及有揭露,而在穿越施查溝時,也被詳勘所布物探剖面所控制,物探剖面在該段的電阻率明顯低于周圍巖體的電阻率,僅為 600~800 ?·m,而周圍巖體電阻率為800~3 000 ?·m。斷層在地貌上形成負地形,在通過山脊上形成鞍狀地貌。地下水呈淋水狀,局部呈涌突水狀,揭穿斷層上盤涌水會增大。洞頂易坍塌,側(cè)壁穩(wěn)定性差,V級圍巖。

        圖1 掌子面涌水情況現(xiàn)場圖Fig.1 Water bursting at working face in situ field

        2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

        初期支護拱墻設(shè)φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng),邊墻設(shè)φ22 mm砂漿錨桿;全斷面設(shè)置0.75 m/榀的I18型鋼鋼架,二次襯砌采用50 cm厚的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),測試元件埋設(shè)數(shù)量與布置如圖2所示。

        圖2 斷面測試元件布置示意圖Fig.2 Layout of measuring instrument

        與斷層不同距離的襯砌背后水壓力沿洞周分布如表1所示。

        表1 距離斷層不同距離襯砌背后水頭高度 (單位:m)Table 1 High heads with different distances from fault (unit: m)

        圍巖節(jié)理及巖塊參數(shù)離散性大,襯砌洞周水壓分布不均勻,從表1中看出,總體呈現(xiàn)拱部大,邊墻小。剛開挖時,水壓達到1.98 MPa,發(fā)生突水、突泥,而隧道通過后,其水壓下降僅10 m左右,掌子面施工才是圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。剛開挖時即使掌子面水壓再高,一段時間后水壓降低很多,最大水壓也在十幾米。因此,高水壓問題主要是開挖期間的穩(wěn)定性,建成后支護結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定的。

        2.3 隧道在施工期間的安全性分析

        根據(jù)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[13]襯砌截面抗拉和抗壓檢算式,建立襯砌截面抗拉、抗壓極限狀態(tài)方程。當偏心距e0≤0.2t (t為襯砌厚度),截面由混凝土抗壓強度控制承載能力;當偏心距 e0>0.2t時,截面由混凝土抗拉強度控制承載能力。大變形涌水段K61+091和K61+101斷面支護結(jié)構(gòu)受力特征現(xiàn)場實測安全系數(shù)如表2、3所示。

        表2 K61+091斷面安全系數(shù)Table 2 Safety factors of section K61+091

        表3 K61+101斷面安全系數(shù)Table 3 Safety factors of section K61+101

        從表2、3看出,在隧道施工期間,二次襯砌各個截面的極限狀態(tài)為受壓應(yīng)力控制,均小于混凝土極限軸心抗拉強度,因此,二次襯砌不會產(chǎn)生破壞,與現(xiàn)場情況一致;比較二襯安全系數(shù)斷面分布,均滿足設(shè)計規(guī)范(K >2.4)的要求,襯砌安全。

        3 流-固耦合原理

        在含水地層中開挖隧道,一方面由于地下水作用,降低了圍巖物理力學參數(shù);另一方面隧道開挖使圍巖應(yīng)力場和地下水滲流場重新分布,圍巖應(yīng)力場改變將導(dǎo)致圍巖體應(yīng)變發(fā)生,從而引起流體孔隙壓力的變化,反過來孔隙壓力變化也會導(dǎo)致應(yīng)力場變化,滲流場與應(yīng)力場耦合作用結(jié)果會加劇地層變形。FLAC3D模擬多孔介質(zhì)中流體流動時,主要通過孔隙水壓力消散引起土體中位移的變化,流體在孔隙介質(zhì)中的流動依據(jù)Darcy定律,流-固耦合過程滿足Biot方程[14]。

        3.1 流動方程

        對于多孔連續(xù)介質(zhì),Darcy定律可表達如下:

        式中:qi為滲流矢量(m/s);p為孔隙壓力;k為孔隙介質(zhì)的固有滲透系數(shù)張量( m2/(Pa?s));k?(s)為相對滲透系數(shù),它是飽和度s的函數(shù),k?(s)=s2(3 -2s );ρf為流體密度(m/s2);gi是重力加速度矢量的3個分量,其中(i =1,2,3)。

        3.2 平衡方程

        對于小變形而言,流體平衡可以表述如下:

        式中:qv為體積流源強度(1/s);?為孔隙介質(zhì)單位體積的流體體積變化。

        流體流量的改變與孔隙壓力p、飽和度s、及固體體積應(yīng)變ε的改變有關(guān),相應(yīng)的方程表述如下:

        式中:M為Biot模量(N/m2);n為孔隙率;α為Biot系數(shù)。

        動量平衡方程可表述為以下形式:

        式中:ρ = (1 -n)ρs+nsρw是容積密度,ρs和ρw分別為固相和液相的密度。 (1-n)ρs與固體的干密度ρd是相同的。

        3.3 本構(gòu)方程

        體積應(yīng)變的改變引起流體孔隙壓力的變化,反過來,孔隙壓力的變化也會導(dǎo)致體積應(yīng)變的發(fā)生。孔隙介質(zhì)本構(gòu)方程的增量形式為

        式中:σij為應(yīng)力增量率;Δp為孔隙水壓力增量;δij為Kronecher因子;Hij為給定函數(shù),Δξij為總應(yīng)變增量。

        3.4 相容方程

        應(yīng)變速率與速度梯度之間的相互關(guān)系為

        式中:υi為介質(zhì)中節(jié)點的速度,表示在i方向速度,可以在j方向上投影。

        通過式(1)~(5)反復(fù)迭代直到滿足水壓和應(yīng)力的求解精度??梢钥闯?,滲透系數(shù)k不是常數(shù),而是隨著應(yīng)力場變化而變化的,而且從滲透性來看,隧道圍巖體為非均值的;隧道水壓力也非常數(shù),亦隨著應(yīng)力場變化而變化的。

        4 高位排水工法提出及試驗方案

        對于富水斷層隧道,不可照搬“堵水限排”原則,因地制宜規(guī)避風險。采用高位排水能夠釋放斷層內(nèi)所積聚的高水壓,從而減小施工風險,避免掌子面前方高水壓導(dǎo)致的圍巖塑性化,同時有利于提高疏水注漿效果。

        4.1 高位排水工法

        防止碎屑質(zhì)等細粒成分隨涌水流出是很重要的,因此,要在管內(nèi)設(shè)置濾網(wǎng),在外管周圍密封,進行高位排水,施工過程中高位排水作用及效果,如圖3所示。

        圖3 穿富水斷層高位排水工法示意圖Fig.3 High-position drainage method for cross water-rich fault

        排水鉆孔長度在30 m以內(nèi),采用液壓鑿巖機。超過30 m采用鉆機,并兼做地質(zhì)調(diào)查,但長鉆孔為減輕與圍巖摩擦力可采用鉆孔直徑分段的方法。當隧道穿越地層后,可選擇繼續(xù)保持泄水管的泄水,也可以封閉泄水管,這兩種不同的處置方式取決于斷層水屬性。如果斷層水屬于活水補給的地下水,泄水管封閉以后水位會恢復(fù)到隧道開挖前的高水位位置,此時需要繼續(xù)排水,將排水管連接到二襯背后的環(huán)向排水盲管,與此同時還應(yīng)使用抗水壓型襯砌。如果斷層水為封閉的地下水無水源補給,則可對排水管進行封閉。

        4.2 試驗方案

        高位排水是細管出水,其排水能力有一定的局限性,因此,需要研究不同水頭高度、排水管數(shù)量和注漿圈范圍內(nèi)巖體滲流規(guī)律、掌子面穩(wěn)定性、排水管排水量相互關(guān)系,得到最佳排水方案,從而對實際工程起到一定指導(dǎo)作用。根據(jù)現(xiàn)場工程實踐將水頭高度設(shè)為200、150、100 m,然后根據(jù)不同排水管數(shù)量細化工況,具體分類見表4。

        表4 工況分類表Table 4 Classification of working conditions

        沿隧道縱向分為3層:前、后層為正常圍巖(Ⅴ級),中間高水壓斷層破碎帶(Ⅵ級圍巖),具體力學參數(shù)見表5,圍巖及支護滲透系數(shù)見表6。

        表5 圍巖及支護物理力學參數(shù)表Table 5 Physio-mechanical parameters of surrounding rock and support

        表6 圍巖滲透系數(shù)表(單位:m/s)Table 6 Coefficients of permeability for surrounding rock (unit: m/s)

        隧道采用圓形斷面,直徑為13 m,隧道凈空半徑為6.12 m,噴射混凝土厚為0.30 m。計算時取隧道軸線方向為Y軸,水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向為X軸,豎直向上為 Z軸。計算范圍:-50 m≤X≤-50 m、0 m≤Y≤27 m、-40 m≤Y≤60 m,Z方向零平面選在隧道中心位置??v向地層分布分別為:Ⅴ級圍巖范圍:0 m≤Y≤12 m、24 m≤Y≤27 m;斷層帶圍巖范圍:12 m≤Y≤24 m。有限差分模型如圖4所示。排水管分別設(shè)置3、5、7、9根,具體位置如圖5所示。

        圖4 三維計算模型Fig.4 Three-dimensional computational model

        圖5 各工況排水管位置設(shè)置圖Fig.5 Positions of drain pipes for case study

        5 計算結(jié)果分析

        5.1 打設(shè)排水管對地層水影響規(guī)律

        排水管功能類似,限于篇幅,僅列出200 m埋深條件下打設(shè)3根排水管時掌子面附近圍巖孔隙水壓力情況,如圖6所示。

        圖6 掌子面穿越斷層孔隙水壓力分布圖Fig.6 Contours of pore pressure for face crossing fault

        隧道開挖面作為一個自由透水面,地層水得到釋放,孔隙水壓力在隧道開挖面周圍產(chǎn)生低水壓區(qū)域;從圖6(a)看出,在隧道掌子面后方會產(chǎn)生一個高水壓聚集區(qū)。

        由于隧道的泄水功能,斷層水壓也產(chǎn)生較大的下降,從圖6(b)看出,在掌子面上方打設(shè)泄水管,泄水管末端深入到斷層帶3 m。在泄水管的尾部可以看到明顯的水壓下降,類似于“泄水漏斗”,隨著時間推移,泄水管末端產(chǎn)生的低水壓區(qū)域逐漸增大;泄水管穿越了掌子面后方的高水壓區(qū),將高水壓區(qū)分割開來,高水壓漸漸向掌子面拱頂和仰拱部位移動。當挖到靠近斷層3 m時,斷層水已經(jīng)完全被泄光,產(chǎn)生泄水漏斗。

        5.2 排水管對注漿圈范圍內(nèi)巖體滲流影響

        注漿圈厚度為3 m,水頭200 m情況下,掌子面距離斷層9 m時隧道洞周外3 m圍巖表層的不同排水管數(shù)量引起孔隙水壓力值分布,如圖7所示。

        圖7 洞周3 m外圍巖孔隙水壓力云圖Fig.7 Nephograms of pore pressure for surrounding rock beyond 3 meters around the tunnel

        從圖中看出,每根排水管附近都會產(chǎn)生一片低水壓區(qū)域,消除了局部高水壓現(xiàn)象,但不同位置的排水管產(chǎn)生的降水效果卻不同,因此,研究確定最優(yōu)排水管分布方案十分必要。對于圖7(a)、7(b)中,排水管之間都夾帶一個很大的高水壓區(qū),這兩種排水管分布不符合 “均勻降水”要求。圖 7(a)排水管集中在拱腰以上,圖7(b)較圖7(a)增設(shè)了兩個拱腳的排水管。而拱頂兩兩排水管之間會夾帶一個較高的水壓區(qū)域,拱腳排水管之間的高水壓區(qū)非常小,排水效果比較明顯。因此,拱頂排水管布置較疏,拱頂?shù)呐潘Ч邢蕖?/p>

        對于圖 7(c),加密了拱頂排水管,拱頂附近兩兩排水管之間的高水壓區(qū)域較圖7(b)明顯減小,此時各排水管產(chǎn)生的低水壓區(qū)范圍比較均勻,從圖中角度看,基本呈一條直線;圖7(d)較圖7(c)加密了拱腳部位的排水管,綜合來看,拱腳部位低水壓區(qū)增大,而拱頂部位水壓沒有發(fā)生改變。從圖7(c)看,低水壓區(qū)呈C型分布,因此,最符合“均勻降水”效果。

        綜上所述,在實際施工中,若要對掌子面后上方均勻降水,應(yīng)使拱頂附近排水管密度大于拱腳附近密度,7根排水管方案時,產(chǎn)生的降水效果較為理想。

        5.3 排水管數(shù)量和掌子面穩(wěn)定性關(guān)系

        位移可以作為掌子面穩(wěn)定性的判據(jù)之一,雖然高位排水直接目的并不是穩(wěn)定掌子面圍巖,但在打設(shè)排水管之后,減小了掌子面上方周圍的水壓值,降低了掌子面孔隙水壓力,較好地促進了掌子面穩(wěn)定性。

        表7為不同水位高度、不同數(shù)量排水管時掌子面距離斷層9 m,掌子面最大位移表。圖8為不同工況掌子面最大位移與排水管根數(shù)關(guān)系曲線。

        表7 不同工況掌子面最大擠出變形表Table 7 Maximum extrusion of face for cases study

        圖8 掌子面擠出變形與排水管數(shù)量關(guān)系圖Fig.8 Relationships between extrusion of face and number of drain pipe

        從圖8看出,排水管對掌子面擠出變形影響規(guī)律基本一致,隨著排水管數(shù)量增多,掌子面位移量呈下降趨勢。3根和5根排水管時掌子面變形幾乎沒有變化,對掌子面位移的影響不大,位移減小量在2%左右;在5根和7根排水管之間,曲線斜率明顯增大,位移減小量在20%左右;7根和9根排水管對掌子面位移的影響差別又減小,位移減小量在10%左右。因此,不同的水頭高度,5根和7根排水管都是對掌子面位移影響的一個臨界值。

        5.4 排水管數(shù)量和排水量關(guān)系

        通過對排水管排水量的監(jiān)測,可對實際施工進行一定的預(yù)示和指導(dǎo)作用,圖9為9根排水管布置及其編號。

        圖9 排水管分布圖Fig.9 Position of drain pipes

        不同水頭高度下,各管排水量數(shù)據(jù)列于表8。

        表8 不同水頭高度9根排水管分別排水量(單位:m3/d)Table 8 Discharge of nine drain pipes for different head heights (unit: m3/d)

        從表8可以看出,拱頂排水管的排水量最大,越靠近拱腳的位置排水能力越差,拱腳的位置排水能力最小。對于200 m水頭,拱腳排水量是拱頂排水量的 67.302%;150 m水頭,拱腳是拱頂?shù)?9.384%;100 m水頭,拱腳是拱頂?shù)?1.040%。因此,水壓越大,拱頂和拱腳排水管水量差距越大。

        圖10為9根排水管不同水頭高度排水量曲線。

        圖10 不同水頭高度9根排水管工況各管排水量對比圖Fig.10 Contrast figure of each water discharge of nine drain pipes conditions for different head heights

        從圖10可以看出,3種不同水頭高度,排水管排水量曲線變化趨勢大致相同,從拱頂?shù)焦澳_都呈一個下降趨勢。

        因掌子面拱頂處排水管排水量較拱腳處結(jié)果大,故實際施工中為了更快達到降水效果,應(yīng)先對拱頂部位打設(shè)排水管,后對拱腳部位打設(shè)排水管。

        表9為不同水頭高度、不同排水管工況下總排水量統(tǒng)計表。

        表9 不同水頭高度、不同排水管數(shù)總排水量表Table 9 Relationships between total controlled water discharge, water level and the number of drain pipes

        從表9可以看出,隨著排水管增多,隧道排水量也逐漸增大,但水量增大的速率并不相同。隨著排水管數(shù)的增大,排水量增長速率逐漸降低:200 m水頭情況下,5根排水管比3根排水管排水量增大了50.38%,7根排水管比5根增大了20.43%,9根排水管只比7根排水管增大了3.29%。因此,排水管由3根增加到7根的過程中,排水效果明顯,但由7根增多到9根時,排水效果增加不明顯。150 m水頭和100 m水頭下得到規(guī)律類似。

        不同水頭高度下排水管數(shù)與總排水量關(guān)系如圖11所示。

        圖11 不同水頭高度、不同排水管數(shù)總排水量圖Fig.11 Relationships between total water discharge controlled, water level and number of drain pipe

        從圖看出,不同水頭情況下,不同排水管總排水能力變化趨勢基本相同。當排水管達到7根之后,曲線逐漸趨于一水平直線。此時雖然排水管越多,排水能力越大,但并不意味著排水管越多越好。當水管數(shù)達到一定數(shù)量后,總排水量就趨于一個定值。

        6 結(jié) 論

        (1)大相嶺隧道K61+091水壓最高處進行水位測試,可達到1.98 MPa,表明高水壓問題主要集中在開挖期間穩(wěn)定性。

        (2)在實際施工時,應(yīng)對掌子面上方進行高位均勻降水,應(yīng)使拱頂附近排水管的密度要大于拱腳附近的密度。

        (3)不同位置的排水管排水量不同,拱頂排水管的排水量最大,越靠近拱腳的位置排水能力越差,拱腳的位置排水能力最小。不同水頭高度,排水管排水量曲線變化趨勢大致相同,從拱頂?shù)焦澳_都呈一個下降趨勢。

        (4)由于掌子面拱頂處排水管排水量較拱腳處排水量大,因此,實際施工中為了更快達到均勻降水效果,應(yīng)先對拱頂部位打設(shè)排水管,后對拱腳部位打設(shè)排水管。

        (5)200 m水頭的情況下,5根比3根排水管排水量增大了50.38%,7根比5根增大了20.43%,9根只比7根排水管增大了3.29%。從現(xiàn)場施工實踐出發(fā),認為排水管達到7根排水管方案時,會產(chǎn)生較為理想的均勻降水效果。

        (6)隨著排水管數(shù)量增長,掌子面擠出位移量呈下降趨勢。3根和5根排水管時,掌子面位移幾乎沒有變化,位移減小量在 2%左右;在 5根和 7根排水管之間,曲線斜率明顯增大,位移減小量為20%左右;7根和9根排水管對掌子面位移的影響差別減小,在10%左右。因此,5根和7根排水管都是掌子面變形影響一個臨界值,建議采用7根排水管作為設(shè)計參數(shù)。

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