劉天毅,孟陸波,高美奔,成 威,鄭建國(guó)

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

某隧道初期支護(hù)變形及中空錨桿注漿效果分析

劉天毅,孟陸波,高美奔,成 威,鄭建國(guó)

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

以四川某隧道為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)研、空心包體地應(yīng)力測(cè)試、初支與圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)等分析手段，對(duì)初期支護(hù)變形破壞的原因進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：初支變形破壞主要是由地表水下滲、不利地應(yīng)力條件、地層巖性等因素造成。同時(shí)采用FLAC3D，分析開挖后隧道上部粉砂質(zhì)泥巖夾層對(duì)拱頂變形的影響，以及中空錨桿注漿前后初支受力變形情況。模擬結(jié)果表明：最大豎向位移及壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂區(qū)域，且位移隨著夾層距離的增加而減小，在6.5 m時(shí)出現(xiàn)陡降，最大水平位移在右拱腰處；錨桿注漿后拱頂位移減小約10%，邊墻位移減少約4%。本文可為類似工程變形破壞原因分析及施工處治方法選擇方面提供參考。

地應(yīng)力測(cè)試;拱架壓力測(cè)試;初支變形; FLAC3D; 中空錨桿注漿

0 引言

四川省某隧道是通往藏區(qū)的重要國(guó)防線和生命線，在區(qū)域路網(wǎng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位和作用。目前在隧道建設(shè)過程中，初支變形破壞現(xiàn)象日益突出，國(guó)內(nèi)外對(duì)初支變形破壞的成因及處置措施分析已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，周嘉賓，張小旺[1]等分析了洞口段初期支護(hù)產(chǎn)生過大變形的原因,采用有限元軟件對(duì)其開挖施工過程進(jìn)行了仿真分析；李小坤[2]從圍巖的巖性條件、地下水條件、地質(zhì)構(gòu)造條件以及施工管理等方面，探討滇中紅層隧道產(chǎn)生大變形的原因和機(jī)制；張偉,劉艷青[3]從地質(zhì)和施工因素兩方面對(duì)初期支護(hù)變形原因進(jìn)行了分析,并對(duì)應(yīng)急處理和侵限處理技術(shù)進(jìn)行了介紹；竇繼平，陳德健[4]通過對(duì)隧道洞身地質(zhì)條件的分析, 利用有限元軟件確定出控制隧道初期支護(hù)變形的支護(hù)參數(shù)；彭超[5]針對(duì)發(fā)生的初期支護(hù)變形及沉降的主要原因,設(shè)計(jì)相應(yīng)處治措施。可見，此方面已有許多研究，但大多是直接采用數(shù)值模擬反演，缺少現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本文通過采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析變形原因，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)泥巖夾層影響及注漿效果進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

隧道設(shè)計(jì)為起訖里程為K5+640～K9+234，全長(zhǎng)為3 584 m，最大埋深351 m，隧址場(chǎng)區(qū)整體呈河谷低山構(gòu)造剝蝕地貌，線路穿越突出山脊，山前河流環(huán)繞。坡表淺溝發(fā)育，溝谷縱橫，坡表在局部陡坡地段存在基巖裸露；氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候濕潤(rùn)類型，地層巖性主要由以粉質(zhì)黏土、塊石土等為主的第四系全新統(tǒng)(Q4)，粉砂巖、細(xì)砂巖夾薄層泥巖為主的白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組(K1j)及粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主的白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)組成，地下水主要以松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水為主。變形破壞區(qū)域位于背斜核部，背斜整體寬緩，呈SN向展布，軸部向N傾伏。背斜段地層主要為白堊系中厚層的粉砂巖、細(xì)砂巖夾泥巖地層。

1.2 初支變形情況

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘發(fā)現(xiàn)，隧道斷面在K8+560附近區(qū)域出現(xiàn)了初期支護(hù)拱頂下沉、侵限、型鋼鋼架出現(xiàn)扭曲斷裂，并伴隨初支混凝土開裂、剝落掉塊及局部坍塌的現(xiàn)象出現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，拱頂初支變形破壞累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)15 m?，F(xiàn)場(chǎng)施做復(fù)拱后(間距1 m)，拱頂處仍出現(xiàn)了初支的剝落掉塊現(xiàn)象，對(duì)施工安全造成了極大的威脅。

該區(qū)域初期支護(hù)在12月底出現(xiàn)了不同程度的縱向及環(huán)向裂縫，并且掉塊區(qū)域逐步增大，裂縫主要出現(xiàn)在右拱腰和拱頂區(qū)域，環(huán)向裂縫最大長(zhǎng)度約5 m，寬度約為2 cm，縱向裂縫最大長(zhǎng)度約為10 m，寬度約為3 cm(圖1)。

圖1 初期支護(hù)變形破壞Fig.1 The deformation and fracture of initial support

2 變形原因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了對(duì)隧道初期支護(hù)變形破壞原因進(jìn)行查明，現(xiàn)場(chǎng)采取了空心包體地應(yīng)力測(cè)試、鋼拱架壓力測(cè)試等測(cè)試方法。

(1)地應(yīng)力測(cè)試

在右線樁號(hào)K8+645處進(jìn)行地應(yīng)力原位測(cè)試，測(cè)試方法為應(yīng)力接觸法。選擇圍巖完整性較好邊墻面作為地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，將測(cè)試深度定為1.5倍洞徑(原巖應(yīng)力區(qū))，測(cè)試結(jié)果見表1。

(2)接觸壓力測(cè)試

通過對(duì)初支變形段進(jìn)行接觸壓力測(cè)試，分析鋼拱架的受力情況，并根據(jù)壓力變化趨勢(shì)，對(duì)后續(xù)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)，本次在初支變形破壞區(qū)域K8+559與K8+527斷面布設(shè)了監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)鋼拱架與圍巖接觸壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 k8+559斷面接觸壓力時(shí)間-壓力曲線圖Fig.2 Time-stress curve diagram of steel arch’s stress(k8+559)

圖3 k8+527斷面接觸壓力時(shí)間-壓力曲線圖Fig.3 Time-stress curve diagram of steel arch’s stress(k8+527)

從圖2可以看出，鋼拱架與圍巖壓力值前期呈現(xiàn)一個(gè)陡增的趨勢(shì)，拱頂最大壓力值達(dá)到760.7 kPa，右拱腰最大壓力值達(dá)到444.5 kPa，其余位置壓力值相對(duì)較小。在1月3日進(jìn)行了相應(yīng)的處治措施后，曲線走向由一開始的陡增逐漸變成了下降趨勢(shì)，但在1月10號(hào)前后隧址區(qū)域連續(xù)下了幾天大雪，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位又出現(xiàn)了一個(gè)小幅的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)(右邊墻與拱頂測(cè)點(diǎn)位置在監(jiān)測(cè)期間被破壞)。從圖3可以看出，鋼拱架與圍巖在拱頂和左拱腰的接觸壓力值隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，拱頂最大壓力值達(dá)到了416 kPa。右邊墻接觸壓力值隨著時(shí)間增長(zhǎng)出現(xiàn)了先增加后減小的變化趨勢(shì)。其中左邊墻測(cè)試點(diǎn)在噴漿時(shí)被破壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法采集。

表1 隧道地應(yīng)力測(cè)試成果表

說明：主應(yīng)力方向是主應(yīng)力的投影方向,以象限角表示;傾角為負(fù)表示俯角,為正表示仰角。

2.2 原因分析

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘和對(duì)洞內(nèi)多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，得出初支變性破壞主要有以下原因：

(1)工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)域降雨量充足，某些年份降水量可多達(dá)2 000 mm，地表天然分布了大量的沖溝，容易發(fā)生地表水在溝內(nèi)的存積現(xiàn)象，同時(shí)由于隧道變形段主要是以粉砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，地表水下滲量較大；從圖6可以看出在變形破壞地段，拱頂上部分布了一條以粉砂質(zhì)泥巖為主的破碎帶，粉砂質(zhì)泥巖屬于極軟-軟巖，以薄層狀-中厚層結(jié)構(gòu)為主，工程地質(zhì)性質(zhì)差，且具有弱膨脹性的，遇水易軟化，失水易開裂，在干、濕交替環(huán)境下易膨脹崩解，變形破壞最嚴(yán)重的區(qū)域及破碎帶在隧道內(nèi)出露的位置，此處巖體極其破碎，強(qiáng)度低，容易發(fā)生掉塊及坍塌現(xiàn)象。此段區(qū)域開挖后洞內(nèi)有間歇性滴水的現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況記錄及時(shí)間—壓力曲線圖揭示的結(jié)果，地表水的下滲量增加及地下水作用是發(fā)生初支發(fā)生變形破壞的主要原因之一。

(2)地應(yīng)力原因

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)地應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析得知：

① 現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)原巖最大主應(yīng)力為9.4 MPa。結(jié)合此隧道埋深(僅300 m左右)，可認(rèn)為地應(yīng)力是處于一個(gè)相對(duì)較高水平。

② 最大主應(yīng)力σ1方向?yàn)?51°，而隧道的軸線方向?yàn)?56°，隧道軸線與最大主應(yīng)力方向夾角為85°，呈大角度相交。

③ 最大主應(yīng)力傾角為6°，以近水平為主，主平面都是傾斜的。

由于此變形破壞區(qū)域位于山體背斜的核部，巖層產(chǎn)狀主要以近水平為主，而最大主應(yīng)力方向同樣呈近水平的方向，如此對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的不良影響，再加之最大主應(yīng)力值相對(duì)較高，最大主應(yīng)力方向與隧道軸線方向呈大角度相交(圖4)，更加劇了這種不利地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，特別是對(duì)節(jié)理裂隙較發(fā)育的區(qū)域，極其容易發(fā)生拱頂?shù)膸r體剝落、掉塊、塌方的現(xiàn)象，造成拱頂區(qū)域圍巖的自承能力下降，對(duì)隧道的整體穩(wěn)定性帶來不利的影響。

圖4 地應(yīng)力方向圖Fig.4 The direction diagram of ground stress

通過時(shí)間-壓力曲線結(jié)果也能夠看出，監(jiān)測(cè)斷面拱頂區(qū)域壓力值較大，即支護(hù)變形破壞和拱頂?shù)魤K的直接原因是由于圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的接觸壓力造成的。

(3)施工原因

此段掌子面開挖采用兩臺(tái)階法，由于圍巖強(qiáng)度較低，且存在粉砂質(zhì)泥巖夾層，開挖爆破后，對(duì)已經(jīng)支護(hù)穩(wěn)定的區(qū)域又產(chǎn)生了新的擾動(dòng)，造成圍巖內(nèi)部為了尋求新的平衡而發(fā)生變形，導(dǎo)致初支受到破壞；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)仰拱施工距離掌子面距離過長(zhǎng)，未能使斷面及早封閉成環(huán)，致使變形現(xiàn)象不能被有效的控制，再加上現(xiàn)場(chǎng)施工用水不當(dāng)，使浸水巖體的承載能力出現(xiàn)了進(jìn)一步降低。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 FLAC模型建立

本文通過建立FLAC3D隧道實(shí)體模型，對(duì)斷面開挖后圍巖的力學(xué)特征進(jìn)行研究，同時(shí)采用中空錨桿注漿技術(shù)對(duì)初支變形進(jìn)行處理，并分析注漿前后支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及變形情況。

模型采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，水平方向(X方向)長(zhǎng)度約為4倍洞徑，模型高度為60 m，圍巖與初支均采用六面體單元模擬，隧道輪廓按照?qǐng)D5設(shè)計(jì)斷面同比例構(gòu)建。假設(shè)巖石為各向同性、均質(zhì)的材料(表2、表3)。將鋼拱架噴砼、鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土視為一個(gè)共同體，中空錨桿長(zhǎng)度選用3 m，模擬效果由錨桿及巖體注漿兩部分組成。在參數(shù)取值方面，初期支護(hù)按照彈性模量等效的原理換算到共同體上，計(jì)算公式為[1]：

E=Eo+(Eg+Ag)/Ac

(1)

式中：Eo——原混凝土彈摸/GPa;Eg——鋼拱架材料彈性模量/GPa;Ag——拱架橫截面積/m2;Ac——初支噴射混凝土橫截面積/m2。

圖5 隧道斷面設(shè)計(jì)圖(單位：cm)Fig.5 The graph of tunnel section design

材料名稱彈性模量E/GPa泊松比μ內(nèi)聚力C1/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)容重γ/(kN/m3)細(xì)砂巖370300738263粉砂質(zhì)泥巖090350935252鋼拱架噴砼26025--240

表3 錨桿力學(xué)參數(shù)

在巖體注漿后，內(nèi)聚力的增長(zhǎng)率較大，而摩擦系數(shù)的增加量較小。按照許宏發(fā)[6]研究結(jié)果對(duì)注漿巖體進(jìn)行強(qiáng)化，材料注漿前的力學(xué)參數(shù)見表2，其中巖體參數(shù)來自現(xiàn)場(chǎng)取樣后試驗(yàn)結(jié)果，鋼拱架及錨桿力學(xué)參數(shù)取自現(xiàn)場(chǎng)施工材料檢測(cè)文件；地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示此區(qū)域以構(gòu)造應(yīng)力為主，邊界條件選用模型下部固定約束，其余五個(gè)方向?yàn)槲灰七吔?，按照地?yīng)力測(cè)試結(jié)果施加體應(yīng)力，其中X方向?yàn)樗淼罃嗝嫠椒较?，Y方向?yàn)樗淼垒S線方向，Z方向?yàn)樗淼罃嗝尕Q直方向。

3.2 粉砂質(zhì)泥巖夾層影響分析

圖6、圖7對(duì)開挖支護(hù)后含粉砂質(zhì)泥巖夾層隧道和不含泥巖夾層隧道的變形情況進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示最大位移都出現(xiàn)在拱頂區(qū)域，含夾層最大位移值為4.2 cm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量程結(jié)果基本相符，而不含夾層最大位移值為3.7 cm。同時(shí)含泥巖夾層拱頂發(fā)生位移區(qū)域呈現(xiàn)出隨著與洞身豎向間距增大而逐漸變小的現(xiàn)象，而不含夾層的位移區(qū)隨開挖進(jìn)程呈現(xiàn)出均勻變化,說明含泥巖夾層對(duì)隧道變形破壞存在著較大的影響。

圖6 含泥巖夾層豎向位移圖Fig.6 Vertical displacement contour with silty mudstone interlayer

圖7 不含泥巖夾層豎向位移圖Fig.7 Vertical displacement contour without silty mudstone interlayer

在Y方向每3 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖8所示給出了測(cè)點(diǎn)位移圖，隨著粉砂質(zhì)泥巖夾層距離開挖洞身越遠(yuǎn)，拱頂位移值呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，當(dāng)豎向距離達(dá)到6.5 m時(shí)，拱頂位移值出現(xiàn)了快速的減小。通過模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料和施工實(shí)際情況，以及保證現(xiàn)場(chǎng)的施工安全，選定中空錨桿注漿加固區(qū)域?yàn)榫鄪A層豎向距離7 m以下，隧道周邊3 m區(qū)域范圍內(nèi)。

圖8 拱頂位移圖Fig.8 Vertical displacement diagram

3.3 中空錨桿注漿效果分析

3.3.1 初支受力情況分析

為了對(duì)隧道初支變形破壞進(jìn)行處理，保證現(xiàn)場(chǎng)施工的安全，現(xiàn)場(chǎng)擬采用中空錨桿注漿的方法作為初支變形破壞的重要處治措施之一。通過增設(shè)錨桿單元模擬中空錨桿的加固作用以及提高錨桿區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)模擬注漿后的圍巖力學(xué)特性，對(duì)中空錨桿注漿效果進(jìn)行分析(圖9)。

圖9 中空錨桿空間位置圖Fig.9 Spatial distribution of hollow bolt

圖10給出了注漿前后圍巖的最大主應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂和拱腳區(qū)域，說明此區(qū)域更易發(fā)生破壞，同時(shí)模擬結(jié)果顯示中空錨桿注漿前后初支受力情況減小了約10%。

圖10 初支注漿前后應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contour before and after grouting

3.3.2 初支變形情況分析

圖中11～12給出了隧道注漿前后位移云圖，可以看出，注漿前后Z向最大位移都出現(xiàn)在拱頂區(qū)域，其中注漿前最大位移值為4.23 cm，，注漿后最大位移值為3.83 cm，位移減少量約為10%；水平收斂最大位移主要出現(xiàn)在右拱腰附近，注漿前最大位移值為1.8 cm，注漿后為1.73 cm,減小了約4%。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較一致，同時(shí)也與拱架壓力測(cè)試顯示的拱頂與右拱腰區(qū)域壓力較大的測(cè)試結(jié)果相符。

圖11 注漿前初支位移云圖Fig.11 Deformation contour before grouting

圖12 注漿后初支位移云圖Fig.12 Deformation contour after grouting

圖13、圖14給出了監(jiān)測(cè)期間位移變化圖，可以看出K8+560斷面拱頂下沉及邊墻收斂量在采取處治措施后位移速率開始降低，曲線開始趨于平緩，說明處治措施取得了較好的效果。

圖13 拱頂下沉累積位移量圖Fig.13 Cumulative displacement of vault settlement

圖14 邊墻收斂累積位移量圖Fig.14 Cumulative displacement of sidewall constringency

4 結(jié)論

以四川某在建隧道為研究對(duì)象，采用地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、圍巖與鋼拱架接觸壓力測(cè)試、拱頂沉降及邊墻收斂監(jiān)測(cè)等方法，分析了隧道初支變形破壞的原因，并運(yùn)用FLAC3D對(duì)注漿區(qū)域選擇及注漿前后隧道的受力及變形情況進(jìn)行分析，得到以下成果：

(1)隧道初支變形破壞是由于隧址區(qū)域地表溝壑發(fā)育，易產(chǎn)生積水，同時(shí)洞身主要以粉砂巖和薄層粉砂質(zhì)泥巖為主，在干濕環(huán)境下易軟化，強(qiáng)度降低；最大主應(yīng)力值相對(duì)較高，最大主應(yīng)力方向與隧道軸線方向呈大角度相交以及施工過程中的不當(dāng)行為等原因造成的。

(2)通過FLAC3D對(duì)開挖支護(hù)后含粉砂質(zhì)泥巖夾層隧道分析發(fā)現(xiàn)，拱頂位移區(qū)域隨著豎向間距增大而逐漸變小，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂區(qū)域，最大水平位移出現(xiàn)在右拱腰區(qū)域，與現(xiàn)場(chǎng)初支變形破壞及接觸壓力測(cè)試結(jié)果相吻合。圍巖中空錨桿注漿后拱頂區(qū)域壓應(yīng)力減小了約10%，拱頂沉降減少量約10%，邊墻收斂減少了約4%。

(3)現(xiàn)場(chǎng)通過中空錨桿注漿等措施對(duì)初支變形破壞進(jìn)行處治后，監(jiān)控量測(cè)位移量逐漸趨于平緩，證明以上措施取得了良好的施工效果。本文可為類似工程在分析方法的選擇及施工處治方法選擇方面提供參考。

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Analysis on the deformation of initial support and hollow bolt grouting effect of surrounding rock in a tunnel

LIU Tianyi,MENG Lubo,GAO Meiben,CHENG Wei,ZHENG Jianguo

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

A tunnel in Sichuan as the research object, this paper uses field reconnaissance、geological condition analysis、the ground stress detection、wits stress surveying of the steel arch and other analysis methods, analyzing the reasons of initial support’s deformation and failure. Analysis results show that initial support deformation and failure is mainly by water infiltration, adverse stress conditions, formation lithology and the larger surrounding rock pressure factors.The Flac3d simulates the influence of silty mudstone interlayer on the deformation of tunnel after excavation and the effect of hollow bolt grouting.The simulation results show that the maximum vertical displacement and compressive stress appears in the vault area, the crown displacement with the interlayer and excavation tunnel spacing increases gradually decreases, which is the biggest change in the distance to 6.5 m.The maximum horizontal displacement occurs at the right arch waist.through the analysis of deformation condition of grouting, it is found that the vertical displacement decreases about 10%, sidewall constringency is reduced by about 4%.This paper can provide reference for similar projects in failure analysis and construction treatment method.

ground stress detection; arch pressure test；deformation of primary support;FLAC3D; hollow bolt grouting

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.17

2016-07-22;

2016-10-26

劉天毅(1990-)，男，四川廣元人，碩士，主要從事巖石力學(xué)與巖土工程研究方面的工作。E-mail:619967907@qq.com

TD353

A

1003-8035(2017)01-0108-07