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        富水?dāng)鄬訋淼劳凰荒嗟呐R界判據(jù)

        2020-12-07 11:59:44陳澤龍崔江余王軍杜濤李遷
        鐵道建筑 2020年11期
        關(guān)鍵詞:水突掌子面拱頂

        陳澤龍 崔江余 王軍 杜濤 李遷

        (1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100071)

        富水?dāng)鄬訋撬淼澜ㄔO(shè)中導(dǎo)致突水突泥的主要災(zāi)害源,若能及時(shí)預(yù)判突水突泥時(shí)間,便可及時(shí)采取措施。文獻(xiàn)[1-2]揭露了富水?dāng)鄬訋凰荒嗍菨B流-侵蝕強(qiáng)耦合過程;文獻(xiàn)[3]研究了地震波和電磁場(chǎng)遇到巖溶水體和不良地質(zhì)體時(shí)前兆信號(hào)信息;文獻(xiàn)[4]采用有限元法分析了隧道圍巖應(yīng)力和變形的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[5]分析了圍巖滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布特性,探究了隧道穿越富水?dāng)鄬訋У耐凰荒鄼C(jī)理;文獻(xiàn)[6]研究了富水?dāng)鄬訋?duì)掌子面巖體位移和前方巖體松動(dòng)圈的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[7]結(jié)合工程實(shí)例,研究了水文條件和地質(zhì)構(gòu)造因素對(duì)隧道仰拱處涌突水影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]分析得到涌水突泥是由于隧道開挖產(chǎn)生大量新裂隙,圍巖條件惡化與地下水發(fā)育相互作用的結(jié)果。

        上述研究主要集中于富水?dāng)鄬訋淼劳凰荒鄼C(jī)理和超前預(yù)報(bào)技術(shù),從多指標(biāo)考慮突水突泥臨界判據(jù)的研究較少。鑒于此,本文以和順至邢臺(tái)鐵路天河山隧道為背景,采用數(shù)值模擬的方法綜合分析隧道掌子面臨近富水?dāng)鄬訋н^程中掌子面最大擠出變形、拱頂沉降、最大滲流速度和掌子面前方塑性區(qū)分布發(fā)展規(guī)律,探究富水?dāng)鄬訋淼劳凰荒嗯R界判據(jù)。

        1 工程概況

        天河山隧道起止里程D2K33+710—D2K45+405,隧道長(zhǎng)度11 695 m,洞徑5.96 m,為單線隧道。一般埋深100~300 m,最大埋深615 m,水頭高度0~300 m。

        隧道穿越地層主要為第四系上更新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土和角礫土、震旦系下統(tǒng)串嶺溝組砂巖和常州溝組砂巖。砂巖呈灰黃色、灰白色、灰紫色,不同時(shí)段巖質(zhì)成分差別較大,多為硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié),部分含泥質(zhì)。砂巖有泥痕和泥裂,巖質(zhì)堅(jiān)硬,細(xì)粒~中粗粒結(jié)構(gòu),薄層~厚層狀構(gòu)造,節(jié)理較發(fā)育,單軸飽和抗壓強(qiáng)度35 MPa,基本承載力1 200 kPa。

        隧址區(qū)位于太行山區(qū),蘊(yùn)含豐富的地下水。地下水主要為巖溶裂隙水、構(gòu)造裂隙水及砂巖層間水。巖溶裂隙水與砂巖層間水呈層狀分布,通過構(gòu)造帶聯(lián)通,形成補(bǔ)給和排泄關(guān)系。

        2 數(shù)值模擬

        2.1 基本假定和計(jì)算工況

        基于FLAC 3D 流固耦合功能,采取弱化法模擬斷層帶。假定:①將各類巖土體視為各向同性的均質(zhì)連續(xù)滲透介質(zhì);②隧道開挖前巖體內(nèi)孔隙水為靜止?fàn)睿杂伤嬉韵聨r體均為飽和態(tài),開挖后地下水流動(dòng)服從達(dá)西定律,地下水滲流為穩(wěn)定狀態(tài)下的單相飽和流;③巖土體釆用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型,滿足彈塑性變形規(guī)律;④不考慮構(gòu)造地應(yīng)力,只考慮自重應(yīng)力的影響,通過上覆土層自重模擬隧道埋深;⑤開挖方法僅按全斷面加初期支護(hù)進(jìn)行模擬。

        分為無斷層帶和有斷層帶2 種工況,對(duì)比分析隧道突水突泥臨界判據(jù)。

        2.2 模型的建立與參數(shù)的選取

        隧道斷面形狀根據(jù)《和邢施隧04-29:天河山隧道Ⅲa 型一般錨固段襯砌斷面圖》選取,斷面高8.94 m,寬5.96 m。

        隧道洞口上下左右各取5 倍洞徑,則模型寬為80 m,高為100 m,隧頂距模型上表面45 m。在隧道長(zhǎng)度方向,斷層帶前后圍巖取20 m,斷層帶厚度20 m,隧道長(zhǎng)度共60 m。斷層帶產(chǎn)狀取90°,斷層帶與隧道軸線夾角取90°。數(shù)值分析模型見圖1。

        圖1 數(shù)值分析模型

        邊界條件由位移、應(yīng)力和水力邊界條件組成。左右前后施加法向位移約束,下部施加三向位移約束,上部按上覆土自重施加豎向應(yīng)力。初始孔隙水壓力設(shè)為靜水壓力,呈梯度分布,隧頂水壓3 MPa。計(jì)算模型上表面、掌子面和施作初期支護(hù)前的隧道表面為透水邊界,其余為非透水邊界。

        計(jì)算參數(shù)依據(jù)《天河山隧道地質(zhì)勘察報(bào)告》和TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]確定,見表1。砂巖按Ⅲ級(jí)圍巖處理。

        表1 計(jì)算參數(shù)

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 掌子面最大擠出變形

        圖2 掌子面最大擠出變形與開挖距離關(guān)系曲線

        掌子面最大擠出變形與開挖距離的關(guān)系曲線見圖2??芍孩贌o斷層帶工況,隧道在砂巖中開挖5~45 m 時(shí)掌子面最大擠出變形基本穩(wěn)定在10.3 mm。開挖45~60 m時(shí)掌子面最大擠出變形呈減小-增大-減小趨勢(shì)變化。②有斷層帶工況,開挖0~16 m 時(shí)掌子面最大擠出變形基本穩(wěn)定在10 mm,隨著開挖的進(jìn)行,距斷層帶距離小于4 m 時(shí)掌子面最大擠出變形快速增大,最大達(dá)到600 mm。

        3.2 掌子面處拱頂沉降

        掌子面處拱頂沉降與開挖距離關(guān)系曲線見圖3。

        圖3 掌子面處拱頂沉降與開挖距離關(guān)系曲線

        由圖3 可知:①無斷層帶工況,當(dāng)隧道開挖0~5 m時(shí)掌子面處拱頂沉降速率快速減小;開挖5~55 m時(shí)掌子面處拱頂沉降速率穩(wěn)定;開挖到55~60 m 時(shí)掌子面處拱頂沉降速率快速增大。②有斷層帶工況,隧道開挖小于16 m 時(shí)與無斷層帶工況一樣,掌子面處拱頂沉降速率在隧道開挖一定距離后穩(wěn)定在一定值。當(dāng)掌子面距斷層帶小于4 m 時(shí),隨著開挖的進(jìn)行掌子面拱頂沉降速率快速增大。

        3.3 掌子面最大滲流速度

        掌子面最大滲流速度與開挖距離關(guān)系曲線見圖4。

        圖4 掌子面最大滲流速度與開挖距離關(guān)系曲線

        由圖4 可知:①無斷層帶工況隨著隧道開挖距離增加,掌子面最大滲流速度先減小而后趨于穩(wěn)定。開挖到45 m時(shí)掌子面最大滲流速度開始減小,50 m時(shí)快速減小。②有斷層帶工況隧道開挖距離小于16 m 時(shí)與無斷層帶時(shí)一樣,掌子面最大滲流速度先減小而后趨于穩(wěn)定。距斷層帶距離小于4 m 時(shí),隨著開挖的進(jìn)行,掌子面最大滲流速度快速增大。

        3.4 塑性區(qū)分布和發(fā)展

        隧道開挖后圍巖會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布,部分區(qū)域圍巖會(huì)進(jìn)入塑性屈服階段,形成塑性區(qū)。FLAC 3D 中塑性區(qū)有2 種破壞類型:①剪切破壞(shear failure),云圖中顯示為紅色;②拉伸破壞(tension failure),云圖中顯示為紫色。無斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區(qū)分布見圖5。

        由圖5 可知:開挖1 m 時(shí),掌子面前方塑性區(qū)延伸長(zhǎng)度為2.5 m,掌子面前方塑性區(qū)由近到遠(yuǎn)依次為拉伸破壞和剪切破壞;開挖10,30 和50 m 時(shí),掌子面前方塑性區(qū)延伸長(zhǎng)度均為3.5 m,掌子面前方塑性區(qū)由近到遠(yuǎn)依次為拉伸破壞和剪切破壞。無斷層帶工況隨著開挖距離增大,掌子面前方塑性區(qū)延伸長(zhǎng)度穩(wěn)定在一定值。

        有斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區(qū)分布見圖6??芍洪_挖1 m時(shí)掌子面前方塑性區(qū)延伸長(zhǎng)度為4 m,塑性區(qū)主要為剪切破壞;開挖15.5 m(即掌子面距斷層帶4.5 m)時(shí),斷層帶中開始出現(xiàn)塑性區(qū),但掌子面前方塑性區(qū)未延伸到斷層帶;繼續(xù)向前開挖0.5 m,此時(shí)掌子面距斷層帶4 m,掌子面前方塑性區(qū)和斷層帶塑性區(qū)臨界貫通;繼續(xù)向斷層帶開挖,斷層帶塑性區(qū)快速擴(kuò)展。

        綜上所述,當(dāng)隧道掌子面距斷層帶4 m 時(shí),掌子面前方塑性區(qū)與斷層帶塑性區(qū)臨界貫通,掌子面與斷層帶間圍巖中的裂隙填充物加快流失,從而形成過水通道導(dǎo)致掌子面最大滲流速度突增,掌子面前方圍巖加速劣化,最大擠出變形和拱頂沉降也突增,此時(shí)意味著突水突泥災(zāi)害即將發(fā)生。

        圖6 有斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區(qū)分布

        4 結(jié)語

        1)有斷層帶工況,掌子面前方塑性區(qū)與斷層帶塑性區(qū)臨界貫通時(shí)機(jī)與掌子面最大擠出變形、最大滲流速度、拱頂沉降速率由穩(wěn)定到快速增大時(shí)機(jī)一致,皆在掌子面距斷層帶4 m(約0.5倍洞徑)時(shí)。

        2)工程設(shè)計(jì)時(shí)可通過數(shù)值計(jì)算,將掌子面前方塑性區(qū)與斷層帶塑性區(qū)臨界貫通時(shí)機(jī)作為隧道突水突泥臨界判據(jù);現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可輔以掌子面處拱頂沉降速率,綜合確定隧道突水突泥時(shí)機(jī)。

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