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        富水軟弱圍巖隧道工程施工方案分析

        2018-06-14 13:14:00周小生
        西部交通科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:左洞掌子面帷幕

        周小生

        (廣西信達(dá)高速公路有限公司,廣西 南寧 530021)

        0 引言

        近年來(lái),隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施逐漸深入,我國(guó)山區(qū)公路高速發(fā)展,山區(qū)隧道工程發(fā)展迅猛。大量隧道工程建設(shè)在群山交錯(cuò)、峰巒疊嶂、地質(zhì)及水文條件復(fù)雜多變的多山地區(qū),經(jīng)常遇到各種地質(zhì)災(zāi)害。其中隧道突泥涌水就是對(duì)隧道工程建設(shè)影響較大的地質(zhì)災(zāi)害之一,處治不當(dāng)易引發(fā)洞內(nèi)坍塌、地表沉降、地下水流失等次生災(zāi)害,給公路隧道工程的建設(shè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,社會(huì)影響較大[1]。帷幕注漿技術(shù)是地下工程施工中常采用的輔助工法之一,在處理富水軟弱地層方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),對(duì)保證隧道施工及運(yùn)營(yíng)期的安全起到了重要作用[2]。本文依托在建岑溪至水汶高速公路均昌隧道,采用數(shù)值模擬的方法,研究分析不同工況條件下帷幕注漿技術(shù)在富水軟弱地層隧道工程施工中的作用,以期找到一種安全快速處治富水軟弱地層的隧道施工方案,為今后類似工程提供參考。

        1 工程概況

        岑溪至水汶高速公路是包頭至茂名高速公路的重要路段,在建岑溪至水汶高速公路均昌隧道為小間距特長(zhǎng)隧道,其右線長(zhǎng)4 288 m,左線長(zhǎng)4 270 m,左右洞凈距約17 m。隧址區(qū)山峰脊線高程250~806 m,相對(duì)高差約556 m;隧道洞身段最大埋深約450 m,最小埋深約90 m。均昌隧道路線穿越山心-嶺腳村谷地,為相對(duì)封閉的長(zhǎng)條狀小型盆地,谷地四面環(huán)山,內(nèi)部地勢(shì)平坦,東西長(zhǎng)約2 900 m,南北寬約400 m,谷地的長(zhǎng)軸方向與隧道線位基本垂直。

        隧址區(qū)位于由福慶向斜、白石垌向斜、塘垌向斜構(gòu)成的加里東期褶皺群與燕山期水汶向斜之間,容縣至岑溪斷層及大隆至水汶斷層分別從隧道兩端的北東、南東向通過(guò)??辈旖沂旧叫?嶺腳村帶狀谷地范圍內(nèi)的巖體全~強(qiáng)風(fēng)化層相對(duì)較厚和風(fēng)化強(qiáng)烈,推斷除與多期次的侵入巖體和地質(zhì)構(gòu)造的作用有關(guān)外,還與谷地范圍內(nèi)的混合巖成分相對(duì)復(fù)雜有關(guān)。巖體經(jīng)長(zhǎng)期的風(fēng)化、剝蝕和溶蝕作用形成了目前的谷地現(xiàn)狀。

        均昌隧道目前尚未貫通段位于岑溪市岑城鎮(zhèn)山心村、嶺腳村下方。隧道未貫通段地表谷地分布有大量房屋,該谷地匯水面積較大,并且有大量的地表水和地下水補(bǔ)給源,地下含水層厚度大,含水層連通性及富水性好。附近居民生活及生產(chǎn)用水均采自地下,在保證地表穩(wěn)定和居民生產(chǎn)及生活用水的情況下,隧道施工要切斷隧道洞身周圍巖體與外界水源的聯(lián)系順利掘進(jìn),技術(shù)要求高,實(shí)施難度大。本文采用數(shù)值模擬的方法,研究左右洞不同施工工況條件下洞周收斂變形、地表沉降、地下水滲流等響應(yīng)規(guī)律,以期對(duì)隧道施工開挖提供有益的參考。

        2 隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬

        通過(guò)一些有限元軟件可以有效地對(duì)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,從而對(duì)隧道施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行預(yù)測(cè),并了解相應(yīng)的圍巖位移變化情況。本文采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行不同工況下的隧道施工變形及圍巖滲水情況分析,進(jìn)而分析帷幕注漿在處治富水軟弱地層隧道工程復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的有益作用。

        2.1 模型的建立

        ABAQUS是功能全面的有限元數(shù)值模擬軟件。依托ABAQUS大型三維有限元計(jì)算分析平臺(tái),采用地層結(jié)構(gòu)法研究隧道左右洞開挖支護(hù)施工過(guò)程力學(xué)特征,重點(diǎn)研究左右洞不同施工錯(cuò)距條件下洞周收斂變形、結(jié)構(gòu)受力、圍巖損傷破壞區(qū)及地表沉降等響應(yīng)規(guī)律。

        根據(jù)該隧道工程地質(zhì)勘察和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,以及現(xiàn)有資料表明,地下洞室開挖后的圍巖位移,僅在洞室周圍距離洞室中心點(diǎn)5倍洞室開挖直徑的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響[3]。在實(shí)際工程中,隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變實(shí)際為三維變化的。本文有限元計(jì)算分析采用滲流耦合三維數(shù)值模型;隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮,采用Drucker-Prager模型的屈服準(zhǔn)則[3][4];圍巖、帷幕加固圈、初次襯砌、二次襯砌均采用實(shí)體單元;模型的邊界條件除上部為自由邊界外,兩邊側(cè)面和底面為法向約束邊界;隧道應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮[5],隧道襯砌四周水壓力按照靜水壓力計(jì)算。

        計(jì)算模型X方向(垂直隧道軸線水平向)寬度260 m,Y向(隧道軸線方向)計(jì)算長(zhǎng)度取為120 m,Z向(豎向)高度為200 m,共有95 640個(gè)單元,102 021個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖1所示,其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        圖1 均昌隧道計(jì)算模型示意圖

        地層天然密度/(kg/m3)彈性模量/(MPa)泊松比含水率(%)孔隙率(n)滲透系數(shù)/(m/s)沖洪積層1 8501000.38320.455×10-6全強(qiáng)風(fēng)化1 9502000.36300.438×10-6微風(fēng)化2 1001 3000.3250.31×10-7注漿加固區(qū)2 0301 0000.35270.365×10-7

        2.2 計(jì)算工況

        為全面研究均昌隧道左右洞開挖掌子面不同錯(cuò)距條件下隧道貫通時(shí)的受力變形規(guī)律,開展了左右洞同時(shí)開挖、左洞超前右洞10 m、20 m、30 m、40 m、50 m,及左洞貫通后再開挖右洞等7種不同計(jì)算工況。同時(shí),對(duì)比研究了5 m厚帷幕注漿圈和不設(shè)帷幕注漿方案。計(jì)算工況情況見表2。

        表2 計(jì)算工況表

        2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        數(shù)值計(jì)算中通過(guò)逐步移除開挖輪廓線范圍內(nèi)的巖土體模擬隧道開挖過(guò)程,開挖完成后進(jìn)行初期支護(hù)施工,同一隧道進(jìn)出口端同時(shí)開挖。整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為初始平衡和開挖支護(hù)兩個(gè)主要階段,其中第1步為初始平衡步,獲得初始應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng),后續(xù)隧道分步開挖支護(hù)過(guò)程。監(jiān)測(cè)斷面位于30 m處,掌子面開挖由0 m處開始,掌子面在監(jiān)測(cè)斷面后方距離為負(fù),經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后距離為正。

        2.3.1 不同工況的圍巖變形特征

        圖2中給出先行開挖的左洞拱頂沉降與水平收斂變形在有無(wú)注漿圈時(shí)的對(duì)比曲線,可以看出,通過(guò)設(shè)置注漿圈能夠顯著減小施工過(guò)程中的沉降與收斂變形,其中左右洞同時(shí)開挖的工況1設(shè)置5 m帷幕注漿圈時(shí)較未設(shè)置帷幕注漿圈,其最大拱頂沉降值由97.5 mm減小至69.8 mm,減小約28%;而左洞超前右洞30 m的工況4在設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈后的最大拱頂沉降值也由90.6 mm減小至65.7 mm,減小約27%,左右洞同時(shí)開挖的工況7在設(shè)置帷幕注漿圈后最大沉降值減小約24%。而水平收斂變形計(jì)算結(jié)果也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律,三種工況在設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈后最大水平收斂變形值減小約30%。

        (a)拱頂沉降

        (b)水平收斂

        圖3中給出后開挖的右洞拱頂沉降與水平收斂變形在有無(wú)注漿圈時(shí)的對(duì)比曲線,與左洞類似,通過(guò)設(shè)置帷幕注漿圈,右洞開挖過(guò)程中的拱頂沉降與水平收斂變形也出現(xiàn)明顯減小,其中最大拱頂沉降值減小約30%,而收斂變形值減小約20%。

        (a)拱頂沉降

        (b)水平收斂

        2.3.2 不同工況地表變形特征

        圖4給出了有無(wú)注漿圈時(shí)地表沉降變化曲線計(jì)算分析結(jié)果,由圖4(a)可以看出,設(shè)置5 m帷幕注漿圈條件下左洞開挖貫通所引起的地表沉降明顯小于未設(shè)置帷幕注漿條件,其中左右洞同時(shí)開挖的工況1引起的地表沉降變形最大,在未設(shè)置帷幕注漿和設(shè)置5 m帷幕注漿圈時(shí)的最大沉降值分別為66 mm和25 mm;左洞超前右洞30 m的工況4次之;左洞先行貫通的工況7所引起的最大地表沉降變形分別為38 mm和13 mm。同時(shí)可以看出,由于左洞先行貫通時(shí)間的不同,地表沉降漏斗中心位置也有所不同。圖4(b)中給出了左右洞均貫通后的地表沉降曲線,通過(guò)設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈地表沉降變形較未設(shè)置帷幕注漿圈時(shí)顯著減小,最大地表沉降減小約60%。

        (a)左洞貫通

        (b)左右洞均貫通

        2.3.3 帷幕注漿對(duì)隧道掌子面涌水量影響特征

        通過(guò)對(duì)均昌隧道施工過(guò)程開展應(yīng)力滲流耦合三維有限元分析,得到隧道開挖過(guò)程中洞內(nèi)穩(wěn)定滲涌水量的變化規(guī)律,如表3所示。

        表3 有無(wú)注漿圈時(shí)各工況左洞進(jìn)口端掌子面涌水量表(m3/h)

        由表3可以看出,通過(guò)設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈,掌子面開挖過(guò)程中的穩(wěn)定涌水量較不設(shè)置帷幕注漿圈時(shí)顯著減小,左右洞同時(shí)開挖的工況1在不設(shè)置帷幕注漿圈時(shí)涌水量為103.3 m3/h,而隨著左洞超前右洞距離的增加,左洞進(jìn)口端掌子面涌水量也相應(yīng)增加,當(dāng)左洞超前右洞30 m以上時(shí),掌子面涌水量基本不再變化。相應(yīng)于設(shè)置5 m帷幕注漿圈的情況,各工況掌子面涌水量銳減至2.8 m3/h,減小幅度可達(dá)97%,且與左洞超前距離關(guān)系不明顯,表明通過(guò)帷幕注漿能夠有效控制隧道施工過(guò)程中洞內(nèi)滲水量,進(jìn)而大大降低隧道施工突泥涌水的風(fēng)險(xiǎn)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)在不設(shè)置帷幕注漿圈或帷幕注漿質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時(shí),拱頂沉降隨著隧道開挖的推進(jìn)經(jīng)歷“緩慢增加-迅速增大-漸趨穩(wěn)定”的變化過(guò)程,其中以左右洞同時(shí)開挖的工況1所引起的拱頂沉降值最大,為83 mm;而以左洞先貫通的工況7所引起的拱頂沉降值則相對(duì)較小,為81 mm。水平收斂變形隨著開挖推進(jìn)經(jīng)歷了緩慢“波動(dòng)增加-快速增大-峰值降低后漸趨穩(wěn)定”的變化過(guò)程,其中以左右洞同時(shí)開挖的工況1開挖引起的水平收斂變形值最小,為33 mm;而左洞先貫通的工況7所引起的水平收斂變形值則相對(duì)較大,約為40 mm。主要是由于隧道基本處于自重應(yīng)力場(chǎng)條件,隧道開挖后在拱頂處為受拉區(qū),而兩拱腰位置為受壓區(qū)的二次應(yīng)力場(chǎng)分布特征所決定。

        (2)設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈時(shí),隧道拱頂沉降與水平收斂變形隨開挖過(guò)程同樣經(jīng)歷了“緩慢增加-迅速增大-漸趨穩(wěn)定”的變化過(guò)程,隧道開挖掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面10 m以外時(shí),引起監(jiān)測(cè)斷面處的變形值相對(duì)較小,掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面10 m以內(nèi)時(shí),拱頂沉降與水平收斂變形均顯著增加,仍以左右洞同時(shí)開挖的工況1所引起的拱頂沉降變形最大,為69 mm。

        (3)對(duì)比有無(wú)設(shè)置帷幕注漿圈計(jì)算分析表明,設(shè)置5 m帷幕注漿圈后,隧道施工過(guò)程中的拱頂沉降、水平收斂及地表沉降將顯著減小,其中,拱頂沉降約減小25%,水平收斂減小約30%,地表沉降減小達(dá)60%,掌子面滲水量減小幅度可達(dá)97%。通過(guò)數(shù)值模擬可以有效反映隧道開挖施工過(guò)程中圍巖的變形及滲水情況,預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況,對(duì)隧道施工有一定的指導(dǎo)意義。

        [1]劉 建,劉 丹.基于SVM的隧道涌水來(lái)源識(shí)別[J].北京:水文地質(zhì)與工程地質(zhì),2012,39(5):26-30.

        [2]張民慶,張 亮,何志軍,等太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2015(1):104-109.

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        [5]余 健,何 川.軟弱圍巖段隧道施工過(guò)程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3):623-629.

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