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        穿越斷層破碎帶時(shí)隧道掌子面穩(wěn)定性分析

        2018-04-11 09:08:58蘇先鋒
        四川建筑 2018年5期
        關(guān)鍵詞:塊體節(jié)理掌子面

        蘇先鋒, 駱 陽(yáng)

        (1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

        隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展,出于隧道工程線型的要求,越來(lái)越多的隧道需穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶內(nèi)巖體一般松散破碎、自穩(wěn)能力差,容易發(fā)生塌方事故。因此,研究斷層破碎帶對(duì)隧道施工塌方的影響及工程對(duì)策有重要的理論和實(shí)際意義。

        本文通過(guò)3DEC數(shù)值模擬方法,對(duì)隧道穿越斷層破碎帶進(jìn)行了三維離散元分析,得出了隧道穿越斷層破碎帶過(guò)程中的各個(gè)位置掌子面位移變化特征。

        1 掌子面穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

        圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題是隧道施工安全的重要前提,在地形、地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜的西部地區(qū)修建長(zhǎng)大隧道工程將會(huì)遇到更多的不良地質(zhì)條件,施工中極易引發(fā)塌方、突涌水等災(zāi)害事故。在各種不良地質(zhì)條件中,斷層破碎帶是重要的地質(zhì)災(zāi)害源[1]。

        周森[2]等人利用Matlab編制計(jì)算程序進(jìn)行優(yōu)化求解,通過(guò)算例得到了不同邊界條件下維持淺埋隧道掌子面穩(wěn)定所需支護(hù)反力系數(shù),解釋了淺埋隧道掌子面失穩(wěn)機(jī)理;常喬磊[3]采用3DEC計(jì)算模擬了不同斷層參數(shù),如斷層傾角、傾向、寬度對(duì)圍巖變形的影響;劉健[4]采用ABAQUS分析了不同埋深情況下掌子面的穩(wěn)定情況。

        研究所用軟件為Matlab、ABAQUS和FLAC3D,數(shù)值模擬沒(méi)有考慮巖體的節(jié)理、裂隙對(duì)圍巖變形的影響,而采用3DEC計(jì)算的例子中幾乎很少有涉及到掌子面和斷層同時(shí)研究的情況,所以本次采用離散元軟件3DEC,進(jìn)行隧道穿越斷層破碎帶過(guò)程中的各個(gè)位置掌子面位移變化特征分析。

        2 3DEC計(jì)算基本原理

        3DEC是在二維離散元軟件UDEC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。離散單元法的基本原理是基于牛頓第二定律,假設(shè)被節(jié)理裂隙切割的巖塊是剛體,巖石塊體按照整個(gè)巖體的節(jié)理裂隙互相鑲嵌排列,在空間每個(gè)巖塊有自己的位置并處于平衡狀態(tài)。當(dāng)外力或位移約束條件發(fā)生變化時(shí),塊體在自重和外力作用下將產(chǎn)生位移(移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)),則塊體的空間位置就會(huì)發(fā)生變化,這又導(dǎo)致相鄰塊體受力和位置的變化,甚至塊體互相重疊。隨著外力或約束條件的變化或時(shí)間的延續(xù),有更多的塊體發(fā)生位置變化和互相重疊,從而模擬各個(gè)塊體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),甚至巖體破壞。

        3 隧道掌子面失穩(wěn)因素與支護(hù)措施

        在列舉國(guó)內(nèi)外隧道及地下巷道掌子面失穩(wěn)實(shí)例中的隧道及地下巷道掌子面失穩(wěn)的基本情況后,發(fā)現(xiàn)隧道掌子面發(fā)生失穩(wěn)的巖性條件一般是在隧道所穿越圍巖抗壓強(qiáng)度低,屬于軟弱圍巖范疇,屬于公路或鐵路隧道圍巖分類中Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)及以下的圍巖范圍內(nèi)。且掌子面失穩(wěn)時(shí),一般伴隨有大變形發(fā)生,通常表現(xiàn)為地表出現(xiàn)裂縫、塌陷,掌子面向隧道內(nèi)空擠出隧道周邊位移、拱頂下沉速率變快等情況[5]。

        在土砂圍巖和膨脹性圍巖、破碎帶中,確保掌子面的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。穩(wěn)定掌子面的方法,根據(jù)其功能的不同,可分為以下幾種:

        (1) 支護(hù)圍巖(超前支護(hù)、短管棚等)。

        (2)改良圍巖(注漿等)。

        (3)發(fā)揮錨桿作用(斜錨桿、正面錨桿等)。

        (4)噴混凝土加強(qiáng)等[6]。

        4 數(shù)值模擬

        4.1 建立計(jì)算模型

        模型整體尺寸為:X=70.0 m,Y=60.0 m,Z=65.0 m,X、Y、Z分別為模型寬度、縱向、高度。斷層寬度為10 m,傾角dip=60°,傾向dd=0°。整體模型如圖1所示。襯砌采用C30混凝土,厚度為0.3 m。隧道埋深33.6 m。隧道主體模型如圖2所示。

        圖1 整體模型

        圖2 隧道主體模型

        4.2 材料參數(shù)選取

        計(jì)算中,采用圍巖級(jí)別取為Ⅴ級(jí),斷層材料參數(shù)?、跫?jí)圍巖的1/4,塊體模型采用摩爾-庫(kù)倫模型,節(jié)理模型采用庫(kù)倫滑動(dòng)模型。其中材料的體積模量K和剪切模量G由式(1)和式(2)確定。

        (1)

        (2)

        式中:E為圍巖的彈性模量,ν為泊松比。

        節(jié)理的法向剛度Kn和切向剛度Ks由式(3)和式(4)確定。

        (3)

        (4)

        式中:Em為巖體的彈性模量,Er為巖石的彈性模量,Gm為巖體的剪切模量,Gr為巖石的剪切模量,s為節(jié)理間距。

        本次計(jì)算的材料參數(shù)見(jiàn)表1,節(jié)理參數(shù)見(jiàn)表2。

        表1 材料參數(shù)

        4.3 開(kāi)挖工法及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

        因施工需要,采用全年斷面開(kāi)挖,每個(gè)開(kāi)挖步為2 m。開(kāi)挖斷面形式及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

        表2 節(jié)理參數(shù)

        圖3 開(kāi)挖斷面形式及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

        4.4 計(jì)算結(jié)果

        4.4.1 初始地應(yīng)力狀態(tài)

        初始地應(yīng)力狀態(tài)是隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬的關(guān)鍵。地應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)當(dāng)包含正確的初始地應(yīng)力和初始位移為0。埋深為33.6 m時(shí),模型初始地應(yīng)力狀態(tài)和初始位移如圖4和圖5所示。

        圖4 初始地應(yīng)力狀態(tài)

        圖5 初始位移

        從圖4、圖5可以看出,隨著地層深度的增加,地應(yīng)力呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)狀態(tài),符合實(shí)際規(guī)律。豎向位移在開(kāi)挖前為0,滿足計(jì)算需要。

        4.4.2 開(kāi)挖狀態(tài)下掌子面位移

        開(kāi)挖狀態(tài)下掌子面位移云圖見(jiàn)圖6、圖7。從圖6、圖7中可以看出:在斷層區(qū),掌子面最大突出位移發(fā)生在隧道中心位置附近,且與斷層位置相交處。

        圖6 y=24m斷面位移云圖

        圖7 y=34m斷面位移云圖注:因模型較大,開(kāi)挖長(zhǎng)度為60 m,而斷層區(qū)處于y=24 m至y=34 m,此處僅列舉y=24 m、y=34 m斷面的位移云圖。

        4.4.3 各個(gè)開(kāi)挖斷面處掌子面的位移情況對(duì)比

        斷面y=10 m、y=20 m、y=24 m、y=30 m、y=34 m、y=40 m、y=50 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況如圖8、圖9所示。

        圖8 斷層區(qū)域外各斷面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化

        從圖8和圖9中可以看出:

        (1)進(jìn)入斷層前,即y=0 m至y=24 m,掌子面變化規(guī)律相似,最大突出位移發(fā)生在Z=1 m,即隧道斷面中心處。所以在施工方法上,如果條件允許,可采用預(yù)留核心土開(kāi)挖工法,減小掌子面位移,確保施工安全。

        (2)在斷層區(qū),即y=24 m至y=34 m,隧道掌子面突出位移突然變大,最大值發(fā)生在y=24 m斷面處,達(dá)到22.08 mm。

        圖9 斷層區(qū)內(nèi)各斷面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化

        從y=24 m、y=30 m、y=34 m處掌子面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移曲線圖中可以發(fā)現(xiàn):由于縱向隧道的進(jìn)一步開(kāi)挖,破碎帶區(qū)域的開(kāi)挖土體逐漸減小,之后各斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形逐漸減小,所以隨著縱向隧道的開(kāi)挖,各斷面的掌子面對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)突出位移整體情況下呈減小趨勢(shì)。但是,由于傾斜斷層的存在,掌子面的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在斷層與各個(gè)掌子面交叉位置處,所以上述三條曲線最大位移發(fā)生處呈現(xiàn)下移趨勢(shì)。所以,在施工時(shí),如果遇到斷層破碎帶,一定要注意掌子面的穩(wěn)定問(wèn)題,特別是斷層與掌子面交叉處。

        (3)出斷層后,即y=34 m至y=60 m,從y=40 m、y=50 m處掌子面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移曲線圖可以看出,掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的變化規(guī)律與進(jìn)入斷層前規(guī)律一致,最大突出位移發(fā)生在Z=1 m,即隧道斷面中心處。

        5 結(jié)論

        通過(guò)本次數(shù)值模擬,對(duì)于穿越斷層破碎帶時(shí)隧道掌子面穩(wěn)定性的研究,可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:

        (1)在斷層區(qū)外(進(jìn)入斷層前和出斷層后),掌子面最大位移發(fā)生在其中心位置處,且隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,后開(kāi)挖掌子面的位移比前開(kāi)挖掌子面的位移要大。在圍巖強(qiáng)度較弱的情況下施工時(shí)要注意提前加固,如注漿和打錨桿等措施。

        (2)在斷層區(qū)內(nèi),掌子面的最大位移發(fā)生在掌子面與斷層交叉處,位移值比較大,是斷層區(qū)外位移的1.5 ~4倍,需要特別注意,可以采取超前支護(hù)、圍巖注漿、錨桿等支護(hù)措施,保障施工安全。

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