富水軟弱隧道圍巖工后軟化效應(yīng)分析及其控制措施研究

陳國中，徐前衛(wèi)，程盼盼，董繼濤，吳永波

（1.中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 7100321；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

富水軟弱隧道圍巖工后軟化效應(yīng)分析及其控制措施研究

陳國中1，徐前衛(wèi)2，程盼盼2，董繼濤1，吳永波1

（1.中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 7100321；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

南華一號隧道穿越地層以富水軟巖為主，為確保隧道安全施工，以此工程為研究背景，對富水軟弱隧道圍巖的軟化效應(yīng)及其控制措施進(jìn)行了研究。首先，采用數(shù)值模擬分析了隧底圍巖遇水軟化后對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)控制措施；隨后，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測對相關(guān)控制措施的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

隧道；地下水；軟化效應(yīng)；控制措施

隧道開挖后，開挖面附近圍巖應(yīng)力在釋放過程中，圍巖內(nèi)各種裂隙不斷擴(kuò)張與發(fā)展，使得滲透性不斷增強(qiáng)，在水頭差的作用下，地下水會不斷地向隧道內(nèi)匯集，使得隧道成為地下水的排泄通道。對于軟弱隧道圍巖而言，地下水對圍巖的物化作用常常使得圍巖的力學(xué)性質(zhì)變差，從而使圍巖的穩(wěn)定性面臨著威脅。長期以來，富水軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性一直被廣泛地研究，其中主要的研究內(nèi)容大致可以分為如下幾個方面：通過現(xiàn)場監(jiān)控量測等手段，對富水軟巖隧道的施工變形特性和機(jī)理開展分析和研究[1-2]；基于流固耦合理論，分析隧道施工力學(xué)特性和變形特性[3-4]；基于風(fēng)險管控的角度，分析富水軟巖隧道的施工風(fēng)險[5-6]；結(jié)合實(shí)際的工程背景對富水軟弱圍巖隧道的控制措施開展研究[7-10]。不難發(fā)現(xiàn)對于隧道工后地下水對圍巖的軟化作用和控制措施研究甚少，本文結(jié)合南華一號隧道工程實(shí)踐，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測手段，對富水軟巖隧道的穩(wěn)定性及其控制措施開展研究。

1 工程概況

南華一號隧道為時速200 km/h的客貨共線雙線鐵路隧道，隧道全長1 900 m，最大埋深約96 m。隧址區(qū)屬山間盆地與低中山寬谷緩坡過渡區(qū)，隧道進(jìn)出口均位于盆地邊緣緩坡地帶。

1.1 工程地質(zhì)

隧址區(qū)地表上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)淤泥質(zhì)黏土、松軟土、細(xì)砂、粗圓礫土、粉質(zhì)黏土，坡洪積(Q4dl+pl)淤泥質(zhì)土、松軟土、粉質(zhì)黏土及坡殘積(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)馬頭山組(K2m)砂巖夾泥巖及下統(tǒng)普昌河組(K1p)泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r。段內(nèi)發(fā)育玉碗水向斜，與線路相交于DK60+652附近，交角約57°。隧道主要穿越白堊系上統(tǒng)馬頭山組(K2m)砂巖夾泥巖、下統(tǒng)普昌河組（K1p）泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r地層，屬典型的滇中紅層軟弱圍巖，圖1為該隧道工程部分地段的地質(zhì)縱斷面圖。隧道圍巖質(zhì)軟、破碎，向斜核部富水，泥巖具弱膨脹性，暴露后易風(fēng)化，遇水易崩解。

1.2 施工情況

根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)資料，Ⅴ級圍巖區(qū)段施工采用CRD工法，CRD法隧道開挖分四部進(jìn)行。如圖2所示，①、③部開挖采用人工配合小型機(jī)具開挖，②、④部采用人工配合小型機(jī)械開挖，大型機(jī)械輔助。隧道初期支護(hù)采用格柵鋼架、噴C25砼、鋼筋網(wǎng)、中空注漿錨桿，中隔壁及臨時仰拱采用I20工字鋼、噴C25砼、鋼筋網(wǎng)支護(hù)。

1.3 存在問題

南華一號隧道Ⅴ級圍巖區(qū)段在施工時，根據(jù)掌子面開挖揭露的圍巖情況可以看出，圍巖軟弱破碎，多為泥巖、泥巖夾砂巖，且地下水豐富，施工時圍巖和掌子面易失穩(wěn)，如Dk59+618～Dk59+ 636段由于隧底圍巖受到水的浸泡、軟化作用從而導(dǎo)致初期支護(hù)整體下沉近1 m，后期的換拱治理耗費(fèi)了大量的人力、物力，影響了正常的施工進(jìn)度和增加了工程資本投入。

圖1 工程地質(zhì)圖（單位：m）Fig.1 The geological cross-section(unit:m)

圖2 CRD法施工示意圖Fig.2 Construction schematic diagram of CRD method

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

本文計(jì)算選取南華一號Ⅴ級圍巖區(qū)段某一典型斷面開展研究，據(jù)該段工程地質(zhì)資料，地層從上至下依次為粉質(zhì)黏土＜6-3＞、全風(fēng)化泥巖夾砂巖＜12-1＞（W4）、強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖＜12-1＞（W3）、弱風(fēng)化泥巖＜12-1＞（W2），各地層厚度及地層和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。隧道埋深約12 m，主要穿越全風(fēng)化泥巖夾砂巖和強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖。

表1 地層和襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanics properties of stratum and lining structure

交叉中隔壁法（CRD法）模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，計(jì)算模型上邊界取至地表、左右及下邊界取約3倍洞徑，豎向取60 m，水平方向取94 m，縱向取單位長度1 m，前后左右和下邊界沿法向進(jìn)行約束，上邊界為地表，設(shè)為自由面。為模擬開挖的空間效應(yīng)，采用應(yīng)力釋放法，但因?qū)崪y資料不完善，主要由工程類比法確定應(yīng)力釋放率。文獻(xiàn)[11]建議，對于V級圍巖，每一分部開挖時釋放荷載40%，施作噴錨支護(hù)后釋放60%[11]。

隧道圍巖采用摩爾–庫侖模型進(jìn)行模擬，鋼拱架和鋼筋網(wǎng)通過提高噴射混凝土的彈性模量來模擬，初期支護(hù)采用shell單元。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了分析水對隧底圍巖的軟化效應(yīng)，先按照CRD施工工序分部進(jìn)行開挖，待計(jì)算完畢再對隧底圍巖的參數(shù)進(jìn)行弱化計(jì)算。其中弱化范圍如圖3中紅線所圍區(qū)域，其水平方向長30 m，取至隧底以下6 m。圍巖物理力學(xué)參數(shù)弱化為原參數(shù)的30%[12]。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Mesh map of calculation model

1）位移變化規(guī)律。圖4、圖5分別為隧道開挖后以及隧底圍巖軟化后圍巖的豎向位移云圖。

由圖4、圖5可知，考慮隧底圍巖軟化后，圍巖豎向位移約增大了53%，其中最大位移發(fā)生在拱頂，其值為230 mm，一倍洞徑寬度范圍內(nèi)地表也發(fā)生了約125 mm的沉降，這主要由兩個方面的作用所致：一是由于地下水對圍巖的物理化學(xué)作用，降低了圍巖的抗剪強(qiáng)度所致，使其承載性能降低；二是由于地下水的存在，圍巖的有效應(yīng)力降低，根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，應(yīng)力狀態(tài)容易達(dá)到極限平衡狀態(tài)而失穩(wěn)。

圖4 隧道開挖完畢豎向位移云圖（單位：m）Fig.4 Vertical displacement contour after tunnel excavation(unit:m)

圖5 隧底圍巖軟化后豎向位移云圖（單位：m）Fig.5 Vertical displacement contour after tunnel bottom rock mass softened by water(unit:m)

2）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析。圖6、圖7分別為隧道施工完畢和隧底圍巖軟化后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩內(nèi)力圖，由圖6、圖7可知，在隧底圍巖軟化后，支護(hù)結(jié)構(gòu)彎拉部位沒有改變，在拱頂和拱肩部位承受一定的拉應(yīng)力，豎向支撐和邊墻部位初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的壓應(yīng)力，當(dāng)發(fā)生軟化效應(yīng)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增加了約原來內(nèi)力的三倍。由此可見，對于富水軟弱圍巖隧道，水對隧底圍巖的軟化作用極可能使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進(jìn)而造成圍巖失穩(wěn)。例如，在Dk59+618～Dk59+636段施工時，由于沒有對地下水采取有效的防排水措施，導(dǎo)致初期支護(hù)未封閉段圍巖產(chǎn)生大變形，使得初期支護(hù)的鋼拱架發(fā)生扭曲，噴射混凝土發(fā)生剝落，如圖8所示。故在施工時，應(yīng)對地下水采取有效的防排水措施，并保證初期支護(hù)結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)。

圖6 隧道開挖完初期支護(hù)彎矩圖（單位：N·m）Fig.6 Bending moment of the initial support after excavation(unit:N·m)

圖7 隧底圍巖軟化后初期支護(hù)彎矩圖（單位：N·m）Fig.7 Bending moment of the initial tunnel support after tunnel bottom rock being softened（unit:N·m）

圖8 南華一號隧道初支大變形Fig.8 Large deformation of the initial tunnel support of Nanhua No.1 Tunnel

3 富水軟巖隧道施工措施

對于具有遇水軟化效應(yīng)、弱膨脹性的軟弱圍巖隧道，隧底富水不僅影響著圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會對后期的運(yùn)營安全造成潛在的威脅，因此，必須采取有效的措施進(jìn)行加固改善。

3.1 注漿堵水

注漿是利用水泥或其他漿液在圍巖中通過滲透、充填、壓密擴(kuò)展形成漿脈，待漿液硬化后有效的將破碎圍巖凝固成一個整體，提高圍巖的整體性，從而形成一個強(qiáng)度大、壓塑性低、抗?jié)B性好的新巖土體。漿液在巖土介質(zhì)中的擴(kuò)散可以有效封堵圍巖裂隙，減小地下水向隧道內(nèi)的滲流，從而從源頭上控制水的來源。南華一號隧道Ⅴ級富水圍巖區(qū)段采用全斷面帷幕注漿，以盡可能地減小地下水滲入隧底的可能，注漿采用直徑Φ42 mm、長度3～5 m的鋼花管，注漿壓力為0.2～2.0 MPa，水泥漿液水灰比為1∶1，注漿加固布置圖9、圖10所示。

圖9 徑向注漿橫斷面布置圖（cm）Fig.9 Radial cross-sectional view of grouting（cm）

圖10 徑向注漿橫平面布置圖（cm）Fig.10 The layout of radial grouting on plane（cm）

3.2 加強(qiáng)洞內(nèi)排水

為了有效減少地下水向隧底的集聚和滲透，施工時可在仰拱開挖部位設(shè)置降水井，降水井的位置可以根據(jù)施工條件而定，并定時抽取降水井內(nèi)的積水，同時要及時清理擁堵在中心排水溝內(nèi)渣土，做好隧道內(nèi)的排水工作。

4 現(xiàn)場實(shí)測分析

監(jiān)控量測不僅是新奧法的核心，更是一種重要的研究手段，可以有效的彌補(bǔ)數(shù)值模擬的不足?，F(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)尤其是拱頂下沉數(shù)據(jù)是工程地質(zhì)、施工等因素共同作用的物理量，能綜合各種因素表征圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)。為此，為分析地下水對隧底圍巖的軟化效應(yīng)和評價圍巖的穩(wěn)定性，選取南華一號隧道大變形段典型斷面的拱頂豎向位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖11，圖12分別為南華一號隧道DK59+622斷面的拱頂豎向位移-時間曲線和豎向位移變化速率-時間曲線。

圖11 DK59+622拱頂豎向位移-時間曲線（cm）Fig.11 The convergence time curve of vault displacement at section DK59+622(cm)

圖12 DK59+622拱頂豎向位移變化速率-時間曲線（cm）Fig.12 The convergence time curve of vault displacement rate at section DK59+622(cm)

由圖11和圖12可知，隨著施工的進(jìn)行，地下水向隧道內(nèi)的匯集，在圍巖與地下水相互作用的過程中，圍巖的變形量逐漸增大。在開挖后15 d內(nèi)拱頂?shù)某两盗考s為50 mm；而當(dāng)仰拱剛剛開挖完后，較多地下水滲入隧底，使得地下水對隧底圍巖的軟化作用加劇，導(dǎo)致在開挖后約20 d時，拱頂?shù)某两盗堪l(fā)生突變，瞬間增大到350 mm，大大超出了開挖預(yù)留變形量，也伴隨著初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和破壞。之后，由于及時采取反壓回填、加強(qiáng)支護(hù)等措施，使得圍巖的變形趨于穩(wěn)定。

圖13、圖14分別為采取全斷面帷幕注漿、加強(qiáng)支護(hù)后換拱施工過程中DK59+622斷面拱頂?shù)呢Q向位移-時間曲線和豎向位移變化速率-時間曲線。由圖13、圖14可知，采取治理措施后，圍巖約35 d后趨于穩(wěn)定，拱頂?shù)淖畲蟪两盗考s在60 mm，遠(yuǎn)小于開挖預(yù)留變形量，同時由圖14拱頂豎向變化速率曲線可知，在前25 d內(nèi)，圍巖的變形速率在5 mm以內(nèi)，后期因?yàn)槭┕け普駝幼冃嗡俾瘦^大，隨后又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。可見加強(qiáng)隧道內(nèi)的防排水工作對于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要的意義。

圖13 整治后DK59+622拱頂豎向位移-時間曲線Fig.13 The convergence time curve of vault displacement at section DK59+622 after renovation

5 結(jié)論

1）地下水對隧底圍巖軟化作用，會使圍巖的變形量增大，同時使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增大，隧底圍巖承載能力對于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要的意義。

2）對于富水軟弱圍巖隧道而言，施工時應(yīng)采取有效的措施封堵地下水向隧道內(nèi)的滲流，同時還應(yīng)加強(qiáng)隧道內(nèi)排水工作。

3）現(xiàn)場監(jiān)控量測和數(shù)據(jù)分析對于評價圍巖的穩(wěn)定性有著重要的意義，及時反饋設(shè)計(jì)和施工可以有效防止富水軟弱隧道圍巖的失穩(wěn)。

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Study on Softening Effect of Water-Rich Soft Rock Mass around the Tunnel and Its Control Measures

Chen Guozhong1，Xu Qianwei2，Cheng Panpan2，Dong Jitao1，Wu Yongbo1
（1.The Second Engineering Co.,Ltd.of China Railway Seventh Group，Xi’an 710032，China；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai，201804）

Nanhua No.1 Tunnel is mainly constructed in water-rich as well as weak rock mass.In order to ensure the safety of Nanhua No.1 tunnel,this paper carries out a series of researches on the softening effect of water-rich soft rock mass and its control measures.Firstly,numerical simulation is conducted to analyze the softening effect of soft rock mass,and then control measures are proposed according to the calculation results.Finally, field monitoring results are analyzed to verify the reasonability of the construction control measures.

tunnel；underground water；softening effect；control measures

U25

：A

1005-0523（2017）01-0067-06

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－06－28

陳國中（1982—），男，工程師，主要研究方向?yàn)樗淼拦こ獭?/p>

徐前衛(wèi)（1973—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程，地下工程。