隧道時(shí)效大變形災(zāi)害的數(shù)值模擬與處治技術(shù)研究

隧道時(shí)效大變形災(zāi)害的數(shù)值模擬與處治技術(shù)研究

主要研究隧道工程。

何以群

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

摘要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路、公路和水利水電等工程的大規(guī)模建設(shè)，隧道軟巖流變帶來的大變形災(zāi)害越來越多。依托福建永寧高速石林隧道軟巖大變形災(zāi)害相關(guān)問題，采用流變本構(gòu)對(duì)大變形段進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，確定了二次襯砌最佳支護(hù)時(shí)段，并結(jié)合工程實(shí)際提出了大變形段圍巖變形的控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：隧道軟巖；大變形；流變數(shù)值分析

0引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通工程的建設(shè)不斷加快，不可避免地會(huì)遇到許多軟巖問題[1-4]。特別是對(duì)隧道、大壩及邊坡工程的穩(wěn)定性具有顯著的影響，如引發(fā)隧道的大變形等。圍巖大變形機(jī)制不同，大變形的防治措施也不相同。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同機(jī)制下發(fā)生的圍巖大變形災(zāi)害提出了多種防治措施。

本文以福建永寧高速石林隧道工程發(fā)生軟巖大變形災(zāi)害的里程段為依托，在現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)石林隧道大變形段進(jìn)行了粘彈塑性數(shù)值模擬分析，并探討了石林隧道大變形段在初期支護(hù)與二次襯砌條件下圍巖與支護(hù)變形的時(shí)效性，可為類似軟巖大變形的工程提供借鑒和參考。

1工程概況

永寧高速公路石林隧道位于永安市大湖鎮(zhèn)，為雙洞分離式隧道，單洞凈寬12.52 m，隧道長2 870 m，最大埋深約460 m。

2010年8月—10月隧道右線進(jìn)口開挖至YK14+260～YK14+320里程段。該段圍巖主要為強(qiáng)—全風(fēng)化泥巖和千枚狀粉砂巖，碎裂—散體結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)軟弱，錘擊聲啞，有較深凹痕，地下水滲流嚴(yán)重，圍巖自穩(wěn)能力差，拱部未支護(hù)時(shí)極易坍塌，側(cè)壁掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，隧道右線進(jìn)口段開挖至YK14+285斷面，在YK14+270~YK14+285開挖段內(nèi)出現(xiàn)突泥、涌水災(zāi)害。圖1給出的則是發(fā)生突泥災(zāi)害后隧道內(nèi)的情景，圖2為施工中出現(xiàn)的涌水災(zāi)害。

圖1　大變形段突泥災(zāi)害

圖2　大變形段涌水災(zāi)害

石林隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)和施工。軟巖大變形段在實(shí)際施工中主要采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法，局部地段采用CD法結(jié)合開挖。如圖3所示，為弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法示意圖。

(a)橫斷面圖

(b)Ⅰ—Ⅰ剖面圖

2石林隧道大變形段的流變數(shù)值計(jì)算

2.1FLAC3D軟件的二次開發(fā)

FLAC3D采用面向?qū)ο蟮恼Z言Microsoft Visual C++對(duì)用戶自定義本構(gòu)模型程序進(jìn)行編譯[5]。模型的主要功能是根據(jù)給出的應(yīng)變?cè)隽?，得到新的?yīng)力。FLAC3D中以動(dòng)態(tài)鏈接庫文件(.dll文件)的形式來調(diào)用本構(gòu)模型。采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1)高版本的FLAC2D、3DEC、UDEC等其他Itasca軟件均能使用該自定義本構(gòu)模型(.dll文件)；

2)自定義本構(gòu)模型的執(zhí)行效率與軟件自帶的本構(gòu)模型處在同一水平。

本文采用Microsoft Visual Studio 2013編寫DBurgers模型的數(shù)值程序，得到名為DSCmodel.dll的模型動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。

2.2數(shù)值模型的建立

2.2.1地質(zhì)模型

選取石林隧道右線發(fā)生軟巖大變形地質(zhì)災(zāi)害的里程段作為模擬對(duì)象。在模擬中將斷層破碎帶簡化成隧道底板5 m深度下的后3 m的水平軟弱破碎帶。計(jì)算模型中的上邊界為地表，距離隧道底板90 m，底部邊界距隧道底板50 m，左右兩側(cè)邊界距隧道中心線50 m。模型的縱向長度以斷面YK14+290為基準(zhǔn)，沿隧道軸線方向長度為20 m。對(duì)模型邊界進(jìn)行位移邊界條件約束，模型上表面定義為自由邊界，左右側(cè)面需施加X方向的水平約束，垂直于隧道走向的前后兩面需施加Z方向的約束，而隧道底部則需施加向上的Y方向約束，隧道的初始地應(yīng)力采用自重應(yīng)力形式。由此建立的隧道三維地質(zhì)計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算模型共有47 340單元，201 958個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4　計(jì)算模型

2.2.2計(jì)算參數(shù)選取

石林隧道YK14+293~YK14+313里程段平均埋深約90m，圍巖以斷層破碎帶為分界，主要呈現(xiàn)出3種巖性：斷層破碎帶上部巖體主要為強(qiáng)—全風(fēng)化的泥巖、千枚狀粉砂巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育；斷層破碎帶主要為飽和的松散沙質(zhì)土夾淤泥質(zhì)黏性土；斷層破碎帶下部巖體主要為弱風(fēng)化石英砂巖。因此，在模擬過程中，采用擾動(dòng)狀態(tài)本構(gòu)模型模擬上部巖體，采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型模擬下部巖體及斷層破碎帶，依據(jù)石林隧道地質(zhì)勘查資料和相關(guān)規(guī)范[6-7]，該里程段的隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1　圍巖力學(xué)參數(shù)

參照對(duì)石林隧道進(jìn)行位移反分析所得參數(shù)[8]，結(jié)合試驗(yàn)所得流變參數(shù)及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，本文在計(jì)算中所取圍巖的流變參數(shù)取值見表2所示。

表2　圍巖流變參數(shù)

2.3計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1二次襯砌施作前

圖5為隧道開挖后150 d內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移計(jì)算結(jié)果?？傮w上看，開挖前10 d內(nèi)，各點(diǎn)位移迅速增大，隨后進(jìn)入變形相對(duì)穩(wěn)定的階段，此時(shí)變形速率增長緩慢，在接下來的30 d內(nèi)變形幾乎不再發(fā)展。隨后洞周收斂處于穩(wěn)定階段，變形量保持在0.24 m左右。隨后拱頂沉降進(jìn)入加速變形階段，變形速率達(dá)到0.05 m/d，此時(shí)若不及時(shí)進(jìn)行二次襯砌的施作，則圍巖將產(chǎn)生不穩(wěn)定蠕變，拱頂沉降將迅速增大，終將導(dǎo)致隧道圍巖變形侵限，并可能發(fā)生大變形和塌方事故。因此，從圍巖變形的角度來看，石林隧道二襯最佳施作時(shí)間為開挖后20～40 d。

圖5　開挖150 d內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果

2.3.2二次襯砌施作后

在下文的模擬過程中，根據(jù)上文對(duì)二襯最佳支護(hù)時(shí)間的分析，假定在隧道開挖后20 d施作二次襯砌，并展開詳細(xì)計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧道拱頂下沉明顯，沉降量大，因此，本節(jié)主要以拱頂下沉變形為研究對(duì)象，對(duì)二次襯砌的合理施作時(shí)間進(jìn)行分析和討論。圖6為施作二次襯砌后150 d時(shí)拱頂沉降的計(jì)算結(jié)果與未施作二次襯砌情況的對(duì)比。結(jié)果表明，在開挖20 d后施作二次襯砌，拱頂沉降變形基本得到了控制，拱頂沉降穩(wěn)定在0.25 m左右。與施作二次襯砌前的計(jì)算結(jié)果相比，隧道圍巖變形維持穩(wěn)定，在相同的時(shí)間內(nèi)并未出現(xiàn)加速蠕變階段?？梢姸我r砌的適時(shí)施作可以大幅地減小圍巖變形速率，對(duì)圍巖變形的進(jìn)一步發(fā)展有較好的抑制作用，同時(shí)避免了圍巖進(jìn)入加速蠕變階段，使隧道處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　二次襯砌施作前后拱頂沉降曲線

3石林隧道軟巖大變形控制技術(shù)研究

3.1二次襯砌施作前的變形控制

3.1.1支護(hù)參數(shù)變更

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露地質(zhì)以及已開挖段圍巖變形情況以及數(shù)值模擬的結(jié)果可以得出，原設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)不足以控制圍巖變形并保持穩(wěn)定，遂對(duì)該大變形段的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，支護(hù)變更參數(shù)見表3所示。

表3　石林隧道圍巖大變形段支護(hù)參數(shù)變更

采用超前小導(dǎo)管和管棚作為施工輔助措施。開挖前采用F2-2型雙層小導(dǎo)管對(duì)前方圍巖進(jìn)行超前注漿加固。采用管棚Φ108鋼花管對(duì)拱部進(jìn)行超前支護(hù)，超前管棚每循環(huán)長20 m。

3.1.2施工措施

為穩(wěn)固松散圍巖，進(jìn)一步減小隧道變形，將原設(shè)計(jì)徑向中空注漿錨桿改為注漿小導(dǎo)管，長度3.0～5.0 m，左側(cè)采用3.0 m，右側(cè)采用5.0 m交錯(cuò)進(jìn)行，環(huán)向間距1.5～2.0 m，變形較大處適當(dāng)加密；徑向系統(tǒng)加固范圍，自變形處退后2榀拱架起至掌子面；為保證大變形段處理過程中掌子面的安全，在距離掌子面兩榀拱架處施作超前注漿小導(dǎo)管，考慮到變形段施工場(chǎng)地限制及施工安全，超前注漿小導(dǎo)管長度調(diào)整為3.5 m，環(huán)向間距調(diào)整至0.3 m，縱向間距調(diào)整為1~2榀拱架間距，外插角可適當(dāng)加大至20°。在小導(dǎo)管施工過程中隨時(shí)注意圍巖穩(wěn)定情況，及時(shí)進(jìn)尺補(bǔ)噴砼施工，以策安全。圖7為利用注漿小導(dǎo)管對(duì)邊墻圍巖進(jìn)行注漿加固現(xiàn)場(chǎng)情況圖。

圖7　邊墻圍巖的注漿加固

3.2二次襯砌施作后的變形控制

3.2.1底鼓災(zāi)害治理

隧道底鼓的防治包括2個(gè)方面：一是在產(chǎn)生顯著底鼓前采取措施阻止或延遲底鼓發(fā)生；二是在隧道顯著底鼓發(fā)生后采取相應(yīng)措施控制底鼓。只有堅(jiān)持預(yù)防為主治理為輔的原則，才能更好地保持底板巖層及整個(gè)隧道圍巖的穩(wěn)定性[9]。

由上節(jié)的計(jì)算可知，二次襯砌施作后，隧道拱頂沉降與周邊收斂已得到控制，但在底板鼓起的過程中，仰拱結(jié)構(gòu)易遭到破壞，因此，為保證隧道整體的穩(wěn)定性和安全，必須對(duì)隧道底鼓進(jìn)行治理。

底板斷層破碎帶的存在是導(dǎo)致石林隧道底鼓災(zāi)害發(fā)生的誘因之一，因此，采取何種方案針對(duì)這一災(zāi)害源進(jìn)行有效控制是處治措施成功與否的關(guān)鍵。由于直接對(duì)隧道底板及下部一定厚度的破碎帶進(jìn)行注漿加固，并增強(qiáng)仰拱支護(hù)強(qiáng)度較為經(jīng)濟(jì)有效，因此，最終確定底鼓段采用先注漿加固、后換拱的措施以確保隧道安全。由于石林隧道大變形段仰拱隆起變形較大，所以采取2 m一循環(huán)的跳槽換拱方式，以減少換拱作業(yè)對(duì)二次襯砌的影響。表4為石林隧道大變形段仰拱及填充層處治參數(shù)。

表4　石林隧道大變形段仰拱與填充層參數(shù)

錨固注漿是一種結(jié)合錨固與巖體注漿加固對(duì)底鼓進(jìn)行治理的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)利用空心錨桿兼作注漿管，通過注漿泵從錨桿上的注漿孔壓入漿液，使其擴(kuò)散到巖體的裂隙內(nèi)，對(duì)巖體實(shí)施“外錨內(nèi)注”的加固。相較于底板錨桿支護(hù)和剛性結(jié)構(gòu)支架來說，由于注漿漿液的壓入、滲透、充填和固結(jié)等作用，錨桿注漿技術(shù)能使底板巖體、漿液和錨桿結(jié)合成整體，以更好地發(fā)揮圍巖的自承載能力[10]。

3.2.2二次襯砌裂縫治理

隧道二次襯砌既是安全儲(chǔ)備，也是承載結(jié)構(gòu)。針對(duì)石林隧道大變形段二次襯砌開裂情況，裂縫處理施工情況如圖8所示。處理方案如下：

1)裂縫縫寬小于或等于0.15 mm時(shí)，采用專用封口膠對(duì)表面進(jìn)行封閉處理。

2)裂縫縫寬大于0.15 mm時(shí)，應(yīng)先灌注結(jié)構(gòu)膠，再在垂直裂縫的方向加貼一層300 g碳纖維布，最后順著裂縫的方向粘貼第二層，每層纖維布的長度應(yīng)從裂縫尖端向外各延伸0.25 m。

圖8　邊墻裂縫封閉

4結(jié)語

本文對(duì)依托工程石林隧道軟巖大變形災(zāi)害及其控制技術(shù)進(jìn)行探討，并通過數(shù)值模擬手段對(duì)隧道二次襯砌的合理施作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算分析，主要結(jié)論如下：

1)二次襯砌施作前，隧道開挖前10 d變形速率較大，20 d后速率明顯下降，進(jìn)入穩(wěn)定階段；開挖40 d后，拱頂沉降再次迅速增長。石林隧道二次襯砌的合理施作時(shí)間為開挖后20～40 d。

2)在合理時(shí)間施作二次襯砌后，變形控制效果較好，可使隧道整體處于穩(wěn)定階段，且二次襯砌能夠保持正常工作狀態(tài)。

3)二次襯砌施作前，可采用加長錨桿、施作超前管棚、小導(dǎo)管注漿加固等措施控制圍巖變形發(fā)展。

4)二次襯砌施作后，可通過替換仰拱進(jìn)行底鼓災(zāi)害治理，并對(duì)二次襯砌裂縫進(jìn)行封閉處理，以控制裂縫的發(fā)展。

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.005

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：何以群(1971-)，男(漢)，福建省連江縣，高級(jí)工程師

中圖分類號(hào)：U459

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2015)02-0016-05

The numerical simulation and treatment technology research
on tunnel time-dependent large deformation disaster

HE Yi-qun

(FujianChuanzhengCommunicationsCollege，F(xiàn)uzhou350007，China)

Abstract：With the rapid development of social economy in China，and the large-scale constructions of high-speed railway，highway，water conservancy，and hydropower projects，the disasters are becoming more and more caused by tunnel soft rock rheology.Based on the related issues of tunnel soft rock large deformation disasters in Shilin tunnel of Fujian Yongning high-speed，the numerical simulation analysis to large deformation sections have been made in this paper by using rheological constitutive model.The optimal supporting time of secondary lining has been determined.It also proposes the control technology of rock deformation in large deformation sections combining with practical engineering constructions.

Key words：tunnel soft rock；large deformation；rheology numerical analysis