隧道上覆易滑塌坡體失穩(wěn)控制研究

廖聲銀 黃土龍 韓曉亮 王小軍

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000; 4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

隧道工程施工過程中，經(jīng)常遇到各種地壓顯現(xiàn)、山體滑坡等問題，對(duì)施工人員生命安全存在極大的安全隱患。如何提前預(yù)測邊坡體存在的安全隱患以及判斷邊坡失穩(wěn)滑塌機(jī)制一直是學(xué)術(shù)界研究的重要課題。為了消除工程中安全隱患，只有深入了解隱患的誘發(fā)因素和破壞方式才能提出正確的解決方案，探究邊坡失穩(wěn)滑移破壞機(jī)制是提出解決方案或措施的重要理論依據(jù)。為此不少專家學(xué)者研究各種方法判別、預(yù)測及治理來解決工程中地質(zhì)災(zāi)害問題［1-3］。

目前，很多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法在巖體失穩(wěn)控制方面取得了一系列重要成果。趙麗雪等采用模型模擬不同產(chǎn)狀巖質(zhì)隧道穩(wěn)定性，得出節(jié)理面傾角大小對(duì)隧道圍巖有重大影響［4］。劉剛等通過模型試驗(yàn)研究節(jié)理密度對(duì)圍巖變形及破壞影響，得出斷續(xù)節(jié)理密度控制著圍巖穩(wěn)定性［5］。此外，在隧道施工巖體失穩(wěn)控制方面，相關(guān)文獻(xiàn)也采用了數(shù)值模擬方法分析隧道動(dòng)態(tài)開挖過程地表坡體變形及移動(dòng)規(guī)律，利用分析結(jié)果判別了隧道開挖上覆邊坡的穩(wěn)定性［6-8］。本研究通過建立模型模擬隧道掘進(jìn)，分析不存在支護(hù)結(jié)構(gòu)坡體失穩(wěn)機(jī)制及其范圍，在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性地提出管棚預(yù)注漿“T字梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)控制坡體失穩(wěn)，比較支護(hù)前后隧道掘進(jìn)對(duì)上覆巖土體的穩(wěn)定性影響。

1 工程概況

以某隧道施工擾動(dòng)引發(fā)上覆巖土體產(chǎn)生山體滑坡為例，該巖土體組成主要為松散結(jié)構(gòu)的燕山期花崗巖的全強(qiáng)風(fēng)化層，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，巖體極破碎，自穩(wěn)性差，隧道硐口位置處于山坡中下部，坡度較陡，硐口兩段地形線與硐軸線小角度相交，圍巖存在地形和地層偏壓，存在斷裂所控制的斷塊差異活動(dòng)，巖石中節(jié)理裂隙非常發(fā)育，極易滑塌。對(duì)施工過程中作業(yè)人員人生安全存在嚴(yán)重威脅，急需分析隧道掘進(jìn)上覆坡體失穩(wěn)變形機(jī)制并提出針對(duì)性的控制技術(shù)，保障作業(yè)安全，因此本段隧道進(jìn)洞前必須先做好洞口地表排水溝，加強(qiáng)邊、仰坡的支護(hù)，設(shè)置反壓墻，硐門外墻當(dāng)加厚，開挖后及時(shí)支護(hù)、襯砌，否則上覆巖土體易坍塌。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)隧道地質(zhì)條件建立數(shù)值模型。模型建立涉及到復(fù)雜地表形態(tài)與復(fù)雜地下空區(qū)，因此采用基于ANSYS和FLAC3D三維模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)完成模型的建立［9-11］。模型全長224 m，寬148 m，模型劃分為節(jié)點(diǎn)6 230個(gè)、單元35 122個(gè)，計(jì)算模型見圖1，采用摩爾—庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準(zhǔn)則，巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1 Rock mass physical and mechanical parameters

3 上覆坡體失穩(wěn)機(jī)制

3.1 坡體失穩(wěn)模擬

通過數(shù)值計(jì)算可分別得到自重場及隧道開挖作用下上覆巖土體的位移變化和塑性區(qū)。分析圖2可知，隧道掘進(jìn)過程中，在自重作用下，距離隧道口50 m處上方覆蓋巖體發(fā)生往隧道口方向的圓弧滑坡，從分析結(jié)果可知，較大位移主要體現(xiàn)在2個(gè)方向，垂直向下沉降和沿坡面向隧道入口滑移。其中垂直沉降位移出現(xiàn)在對(duì)到入口段上覆坡體，從垂直位沉降移剖面圖可以看出隧道掘進(jìn)上覆巖體位移最大處為地表，達(dá)到28.2 cm，隧道頂板下沉為20.1 cm;由上覆坡體X軸方向(沿坡面向隧道入口方向)位移如圖1(a)可知，沿坡面向隧道入口滑移區(qū)域也主要集中在隧道入口段，最大值達(dá)到26.3 cm圖1(c)所示，Y方向(沿坡面垂直于隧道走向)位移較小，如圖1(d)，最大值僅為3.0 cm。從隧道開挖上覆坡體塑性區(qū)分布可知圖上覆坡體出現(xiàn)了大量的剪切和拉伸破壞區(qū)域，局部已貫通，如圖1(e)所示，其破壞形式為拉伸破壞和剪切破壞2種同時(shí)存在。

3.2 失穩(wěn)機(jī)制

從隧道掘進(jìn)上覆坡體變形破壞模擬結(jié)果分析可知，隧道掘進(jìn)上覆坡體的主要滑塌區(qū)域集中在隧道入口段，主要滑塌的方式為垂直方向塌陷和沿坡面向隧道入口滑動(dòng)，見圖3。整個(gè)上覆坡體的滑塌主要由這2個(gè)方向的位移組合而成。在其影響下，隧道入口段上覆坡體出現(xiàn)拉伸和剪切2種主要破壞方式。

4 失穩(wěn)控制技術(shù)及分析

4.1 失穩(wěn)控制技術(shù)

隧道進(jìn)口處上覆坡體滑塌由地質(zhì)因素和力學(xué)因素組合形成，坡體的不良地質(zhì)條件難以做出實(shí)質(zhì)性改變，而力學(xué)因素可以通過有效的力學(xué)分解結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)移與分解，因此隧道開挖失穩(wěn)控制主要考慮有效的支護(hù)體系與結(jié)構(gòu)，從力學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合不良巖體的治理來綜合防治隧道上覆坡體進(jìn)一步滑塌。

上覆巖體滑塌主因是下部隧道開挖致使坡體下沉，如以一定的力學(xué)結(jié)構(gòu)阻斷隧道入口處上覆不良巖體的下沉即可發(fā)揮主要的控制作用，為此首先將塌陷區(qū)全部填實(shí)，在隧道入口處上方坡體內(nèi)采用管棚預(yù)注漿技術(shù)，地表注漿止?jié){層前緣增加雙排108注漿管棚，間距1.5 m梅花型布置，管棚平均長度60 m(見圖4)，另一方面，管棚施工之前施工0.8 m厚、2.0 m高橫向通長C25鋼筋混凝土導(dǎo)向支撐墻(見圖5)。通過注漿使得周邊松散破碎土體固結(jié)，形成具有一定承載能力的混凝土層。該混凝土層一方面將坡體上下不良地質(zhì)巖體隔離，使得坡體的壓應(yīng)力無法直接傳入隧道頂板，另一方面，在混凝土支撐墻端部支撐應(yīng)力作用下，預(yù)注漿產(chǎn)生的60 m混凝土隔離層發(fā)揮了承載上部松散坡體重力的作用。

圖2 易塌陷范圍Fig.2 Subsidence area

圖3 滑坡示意Fig.3 Landslide schematic

圖4 超前管棚預(yù)注漿混凝土層Fig.4 Lead pipe shed pre-grouting concrete layer

圖5 導(dǎo)向墻管棚布置Fig.5 Guide wall pipe roof layout

60 m長的管棚混凝土預(yù)注漿層能抵抗上部不良地質(zhì)巖體的壓力作用而不向下傳遞，主要由于其與端部混凝土導(dǎo)向墻采用鋼筋混凝土連接，因此必須有一定測承載結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向墻和超前注漿混凝土層連接，形成連續(xù)結(jié)構(gòu)控制隧道上覆土體的移動(dòng)。隧道入口處距離地表淺，巖體風(fēng)化極其嚴(yán)重，隧道口開挖必然引發(fā)上覆巖體下沉，綜合考慮上述2種因素，為了預(yù)防該類塌陷再次發(fā)生，現(xiàn)場在隧道入口上部巖體采用地表垂直管棚預(yù)注漿技術(shù)，注漿之前在地表注漿范圍設(shè)置80 cm厚C20混凝土止?jié){層，利用止?jié){層布置60mm×5mm注漿管棚，按2m間距梅花型布置，注漿管長度10 m(見圖6)。通過布置好的注漿管注漿后，松散不良地質(zhì)土層進(jìn)行黏聚組合，形成穩(wěn)定層。

隧道入口距離地表較近，上覆不良地質(zhì)巖體(全風(fēng)化花崗巖)移動(dòng)范圍較大，不僅發(fā)生在隧道頂板，在隧道側(cè)幫依然有土體移動(dòng)存在，為此，在入口處利用地表80 cm厚的混凝土止?jié){層面，沿著隧道軸線方向，在隧道輪廓面兩側(cè)分別增設(shè)8根108 mm注漿管棚按照一定角度打入，其端部深入隧道開挖輪廓線60 cm(見圖7)。

從以上失穩(wěn)控制結(jié)構(gòu)的組成來看，整個(gè)結(jié)構(gòu)包括3個(gè)主要部分，①沿隧道軸線方向60 m長的超前預(yù)注漿管棚支護(hù)結(jié)構(gòu);②隧道入口上方10 m厚方形垂直預(yù)注漿管棚支護(hù)結(jié)構(gòu);③隧道側(cè)壁傾斜方向管棚預(yù)注漿支護(hù)結(jié)構(gòu)。3部分結(jié)構(gòu)利用管棚鋼筋連接，形成穩(wěn)定性的整體結(jié)構(gòu)，注漿后，結(jié)構(gòu)②和結(jié)構(gòu)③高壓注漿體的滲透黏聚作用下，形成類似T字梁結(jié)構(gòu)。因此，該整體支護(hù)結(jié)構(gòu)稱為“T字梁”結(jié)構(gòu)超前管棚支護(hù)系統(tǒng)。

圖6 隧道入口洞頂管棚布設(shè)Fig.6 Shed roof tube tunnel entrance schematic layout

圖7 隧道側(cè)幫管棚布設(shè)Fig.7 Tube tunnel side help shed schematic layout

4.2 控制結(jié)構(gòu)力學(xué)承載機(jī)理

“T字梁”結(jié)構(gòu)超前管棚支護(hù)系統(tǒng)主要由3部分結(jié)構(gòu)組成，每部分結(jié)構(gòu)分別發(fā)揮獨(dú)立的承載作用，三部分組合體共同承擔(dān)組合承載作用。具體分析如下。

(1)沿隧道軸線方向60 m長的超前預(yù)注漿管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)。該部分結(jié)構(gòu)主要通過管棚預(yù)注漿形成混凝土板梁，該梁將隧道前段上覆巖層隔開，形成上下兩部分，混凝土板梁的主要力學(xué)機(jī)理在應(yīng)力與變形隔離，由于上部為不良地質(zhì)巖體，其自重直接施加到混凝土板梁上，二者彈性模型不同，發(fā)生不協(xié)調(diào)變形?；炷涟辶鹤冃芜h(yuǎn)小于上部不良地質(zhì)巖體。致使變形無法傳遞至隧道頂板土體。在很大程度上預(yù)防了上覆巖體下沉而導(dǎo)致的隧道頂板塌方。

(2)隧道入口上方18 m厚方形垂直預(yù)注漿管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)。在隧道入口上方進(jìn)行18 m長的管棚注漿，漿體滲透流動(dòng)將不良土體黏結(jié)在一起，形成厚約18 m的黏聚層，該黏聚層彈性模量遠(yuǎn)大于原來的全分化花崗巖，因此，隧道開挖后，上覆巖層的變形量將大大縮小，同時(shí)，上覆18m厚的混凝土黏聚層中間以2 m的間距布滿了注漿管，剛性的注漿管對(duì)周圍黏聚層發(fā)揮了拉伸作用，進(jìn)一步提高了黏聚層的穩(wěn)定性。因此，該支護(hù)結(jié)構(gòu)保障了隧道入口的安全施工。

(3)隧道側(cè)壁傾斜方向管棚預(yù)注漿支護(hù)結(jié)構(gòu)。傾斜方向管棚預(yù)注漿支護(hù)結(jié)構(gòu)將隧道側(cè)幫外圍巖體與隧道側(cè)壁隔離開，通過注漿形成混凝土隔離層，該隔離層變形量遠(yuǎn)小于側(cè)幫不良地質(zhì)巖體，因此，阻止了側(cè)壁的進(jìn)一步變形，保障了隧道開挖側(cè)幫的安全。

5 數(shù)值分析

通過對(duì)隧道上覆坡體存在與不存在管棚預(yù)注漿“T字梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)易滑塌區(qū)域巖體變化狀況進(jìn)行比較，主要有2種情況下分析:①隧道施工過程對(duì)易滑坡體失穩(wěn)機(jī)理分析②加管棚預(yù)注漿“T字梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)坡體穩(wěn)定性分析。

5.1 位移分析

(1)坡體位移分析。通過數(shù)值計(jì)算可得到存在與不存在“T字梁”支護(hù)掘進(jìn)對(duì)易滑塌區(qū)域的影響。分析圖8可知，在未支護(hù)前進(jìn)行隧道掘進(jìn)，在巖體自重應(yīng)力作用下隧道口不遠(yuǎn)處上覆巖土體位移變化較大并產(chǎn)生滑坡，滑坡體沿坡面向隧道入口處滑移28.2 cm，圖8(a)所示，沉降25.3 cm，如圖8(c)所示，正下方隧道頂板也產(chǎn)生25.0 cm下沉，如圖8 (c)。當(dāng)施工管棚預(yù)注漿“T字梁”支護(hù)后掘進(jìn)隧道，原先產(chǎn)生滑塌區(qū)域位移明顯減小，沿坡面向隧道入口處最大位移為1.7 cm，最大沉降僅2.5 cm，易滑塌區(qū)域并未產(chǎn)生局部滑坡，其中隧道頂板沉降位移為1.0 cm，如圖8(b)、圖8(d)。比較存在與不存在“T字梁”支護(hù)隧道上覆坡體位移變化，表明該支護(hù)系統(tǒng)能有效預(yù)防隧道掘進(jìn)過程中上覆巖體產(chǎn)生滑坡和隧道頂板冒落隱患。

圖8 滑坡位移Fig.8 Landslide Displacement

(2)監(jiān)測點(diǎn)位移分析。本研究在模型中設(shè)置11個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，其中1～6號(hào)布置在隧道頂板圍巖處，7～11號(hào)布置在隧道上覆巖體地表，如圖8(c)所示。在未支護(hù)進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，隧道頂板位移變化最大在1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，由于該測點(diǎn)正處于滑坡體正下方，滑坡體的覆蓋導(dǎo)致頂板圍巖應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致頂板圍巖剪切破壞，該測點(diǎn)沉降了16.0 cm，橫向位移為8.0 cm;在易滑塌區(qū)域地表產(chǎn)生位移變化較大是在8、9號(hào)測點(diǎn)，沉降了25.0 cm，沿坡面向隧道入口處滑移了18.0 cm。在施工管棚預(yù)注漿“T字梁”支護(hù)系統(tǒng)后，相較于未支護(hù)時(shí)測點(diǎn)位移有顯著變化，滑坡體沿坡面向隧道口滑移僅為1.0 cm，沉降位移也明顯減小，其中出現(xiàn)最大沉降量是在隧道頂板5號(hào)測點(diǎn)，沉降量僅為4.9 cm，如圖9所示。由此說明隧道上覆巖體加入“T字梁”支護(hù)，原先預(yù)測易滑塌區(qū)域位移無明顯變化，在隧道掘進(jìn)完成后不會(huì)產(chǎn)生滑坡，隧道頂板較為穩(wěn)固，其支護(hù)效果明顯。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)位移Fig.9 Disp lacem entmonitoring points

5.2 應(yīng)力分析

(1)最大主應(yīng)力。分析圖10可知，巖體邊坡在未支護(hù)條件下隧道掘進(jìn)，在自重應(yīng)力作用下隧道上覆巖體地表發(fā)生滑坡，沉重的滑塌體覆蓋在新地表上導(dǎo)致其正下方隧道圍巖出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力為2 MPa，主要分布在于隧道兩側(cè)圍巖處，見圖10 (a)。當(dāng)施工管棚預(yù)注漿T字梁支護(hù)結(jié)構(gòu)后再掘進(jìn)隧道，遂道壓應(yīng)力集中區(qū)域與壓應(yīng)力極值均出現(xiàn)了明顯減小，并且無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓力減小至1.2 MPa，見圖10(b)。

圖10 最大主應(yīng)力Fig.1 0 Themaximum principal stress

5.3 塑性區(qū)分析

根據(jù)塑性區(qū)模擬分析支護(hù)存在與不存在2種情況下易產(chǎn)生滑坡區(qū)域塑性區(qū)范圍變化。隧道上覆坡體在未支護(hù)條件下隧道掘進(jìn)，隧道入口處坡體區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū)，對(duì)不同梯度應(yīng)力下隧道掘進(jìn)頂板塑性區(qū)等色圖比較分析，如圖11(a)所示，發(fā)現(xiàn)隧道底板與頂板面積較大，兩側(cè)圍巖較少，說明隧道受上覆滑坡體影響，隧道頂?shù)装鍟?huì)出現(xiàn)局部破壞現(xiàn)象。當(dāng)施工“T字梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)后進(jìn)行掘進(jìn)，隧道上覆易滑塌區(qū)域與頂板塑性區(qū)面積明顯減小，其兩側(cè)圍巖面積也大幅減小，塑性區(qū)并未大面積出現(xiàn)，破壞區(qū)域也沒有貫通，頂板依然穩(wěn)定，見圖11(b)。綜合分析結(jié)果可知，該支護(hù)系統(tǒng)能保證隧道開挖初始階段頂板巖體的穩(wěn)定性，有效地預(yù)防了隧道滑塌。

圖11 塑性區(qū)分布Fig.1 1 The Plastic zone

6 結(jié)論

(1)隧道開挖上覆坡體易滑塌區(qū)域主要位于隧道入口段，位移較為明顯的區(qū)域集中在垂直方向沉降位移和沿坡面向隧道入口的滑動(dòng)位移，其破壞方式為拉伸破壞和剪切破壞同時(shí)存在。

(2)針對(duì)上覆坡體滑塌失穩(wěn)機(jī)理，提出隧道開挖前施工管棚注漿“T字梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過超前管棚注漿層和“T字梁”銜接支撐墻形成組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，控制上覆巖體變形滑塌。

(3)數(shù)值分析結(jié)果表明，超前管棚注漿形成混凝土隔離層，阻止上覆巖體垂直位移，減小了隧道頂板的壓應(yīng)力?！癟字梁”銜接支撐墻限制了坡體向隧道入口處滑移。整個(gè)失穩(wěn)控制結(jié)構(gòu)減小了隧道開挖上覆坡體拉伸和剪切破壞，有效防治了上覆坡體的滑塌。

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