斷層破碎帶公路隧道底鼓小導(dǎo)管注漿數(shù)值模擬

李 勇，黃凌君，蘭升元，寧賦巖

(1.中鐵十八局集團(tuán) 第二工程有限公司莆炎高速YA18合同段項(xiàng)目部, 福建 三明 365004；2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 福建 三明 365004；3.三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司， 福建 三明 365004 )

隧道在穿越軟弱膨脹圍巖，并伴隨惡劣環(huán)境高地應(yīng)力區(qū)域影響時(shí)，易發(fā)生仰拱底鼓現(xiàn)象。底鼓對(duì)隧道底板造成危害，加速隧道邊墻的內(nèi)部收斂，引起支護(hù)發(fā)生破壞，導(dǎo)致仰拱變形、開(kāi)裂[1]。底鼓的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理和力學(xué)過(guò)程，不同地質(zhì)環(huán)境隧道底鼓形成機(jī)理和處治技術(shù)也不盡相同[2-7]。目前在對(duì)隧道底鼓的處理方法中，徑向注漿加固是較有效和普遍的方法。一些學(xué)者針對(duì)隧道底鼓錨注支護(hù)機(jī)理展開(kāi)研究并通過(guò)有限元軟件數(shù)值模擬，得到圍巖位移量、塑性區(qū)等分布，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，探討注漿等方案合理性[8-12]。

盡管人們?cè)谝陨峡蒲兄腥〉昧舜罅砍晒?，但是在隧道?shí)際注漿時(shí)，多是憑經(jīng)驗(yàn)確定注漿范圍和深度，較少研究針對(duì)合理的隧道徑向注漿深度展開(kāi)，徐嵩基采用 FLAC3D計(jì)算模擬某位于構(gòu)造剝蝕沉積巖低中山區(qū)高速公路隧道底鼓不同厚度仰拱時(shí)圍巖塑性區(qū)變化和不同注漿圈厚度下圍巖豎向位移、最小主應(yīng)力變化，并提出合理的注漿圈厚度，在這方面研究中有一定的進(jìn)展[13]。然而隧道所處地質(zhì)條件及應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜程度不一致，例如遇到斷層破碎帶地質(zhì)，使得注漿效果和注漿深度將有所區(qū)別。王猛等[14]選取處于強(qiáng)透水巖體且?jiàn)A雜斷層破碎帶的引水隧洞斷面，應(yīng)用有限元程序 ABAQUS對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探究混凝土注漿圈加固措施的支護(hù)效果，在該地質(zhì)條件下對(duì)圍巖注漿圈的研究有了一定進(jìn)展。

本文以福建三明地區(qū)出現(xiàn)的某斷層破碎帶公路隧道底鼓治理為例，基于加固前后檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，理論分析注漿加固機(jī)理，利用FLAC3D軟件，合理設(shè)置圍巖、注漿區(qū)、支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，模擬不同長(zhǎng)度小導(dǎo)管注漿條件下圍巖位移分布及塑性區(qū)變化，進(jìn)而提出該類(lèi)地質(zhì)條件下底鼓合理的小導(dǎo)管注漿長(zhǎng)度。

1 工程概況

某公路隧道位于三明境內(nèi)中低山地貌，全長(zhǎng)2 860 m，地表較陡且水量豐富。主要巖性洞口段為泥質(zhì)粉砂巖和千枚狀粉砂巖，洞身段為泥巖、石英砂巖、千枚狀粉砂巖、灰?guī)r等(見(jiàn)圖1)。地下水為潛水形式，穩(wěn)定水位較高。右洞YK14+260—YK14+320段勘探有斷層破碎帶穿過(guò)(見(jiàn)圖1)，該段落施工過(guò)程遇突泥涌水，變形劇烈，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)明顯侵限，經(jīng)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)變更加強(qiáng)，仰拱施工后仍發(fā)生嚴(yán)重底鼓災(zāi)害，過(guò)程最大隆起量為36 cm，幾個(gè)月后，該段落施作的二襯邊墻也出現(xiàn)斜向開(kāi)展細(xì)微裂縫。

圖1 隧道右洞斷層區(qū)域地質(zhì)縱斷面圖

2 底鼓災(zāi)害特征

2.1 裂縫形態(tài)分布

通過(guò)對(duì)隧道底鼓段落及附近路面破壞情況的調(diào)查檢測(cè)表明，仰拱填充裂縫范圍廣，中線(xiàn)裂縫最為顯著，沿路面中軸線(xiàn)延伸27 m，最大寬度為24 cm，除此之外也有斜裂縫和橫向裂縫(見(jiàn)圖2)。

圖2 YK14+260—YK14+320隧道仰拱底鼓現(xiàn)場(chǎng)

2.2 地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果分析

采用探地雷達(dá)對(duì)底鼓段隧道仰拱襯砌質(zhì)量及圍巖擾動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)。仰拱左中右共布置3條測(cè)線(xiàn)， 典型的雷達(dá)波形圖如圖3所示(以仰拱中部100 M、500 M天線(xiàn)測(cè)試為例)，根據(jù)對(duì)雷達(dá)脈沖反射波波形圖進(jìn)行綜合分析后得到的隧道仰拱背后圍巖擾動(dòng)情況見(jiàn)表1。

圖3 典型的雷達(dá)波形圖

表1 石林隧道仰拱背后圍巖擾動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)表

由雷達(dá)波形圖和表1看出隧道底鼓段仰拱背后圍巖存在擾動(dòng)，在2.3 m～7.5 m范圍內(nèi)圍巖擾動(dòng)明顯。

2.3 病害成因評(píng)價(jià)

通過(guò)相關(guān)資料分析，底鼓段圍巖松散破碎，風(fēng)化徹底。地下水頻繁導(dǎo)致富含黏土礦物伊利石的圍巖膨脹，加之穿越斷層帶等復(fù)雜構(gòu)造下支護(hù)體系受力不均影響造成仰拱軟弱圍巖通過(guò)開(kāi)挖形成的自由面擠壓隆起，使得該隧道底鼓成為集多種成因的綜合性底鼓。

3 底鼓注漿加固機(jī)理

隧道底鼓段治理采用基礎(chǔ)徑向小導(dǎo)管注漿后更換仰拱的方式，注漿前需鏟除原先的C15片石混凝土仰拱回填，然后穿越原仰拱二襯采用一定長(zhǎng)度小導(dǎo)管開(kāi)展施工作業(yè)。注漿加固機(jī)理如下：

(1) 底鼓段仰拱基礎(chǔ)圍巖原先存在的裂縫是相互連通的，通過(guò)注漿使得節(jié)理填充成骨架，圍巖塊體粘結(jié)性加強(qiáng)，從而大大增加整體性，一定程度上降低圍巖擾動(dòng)。

(2) 經(jīng)注漿填充，不易形成圍巖受力集中現(xiàn)象，有效改善仰拱基礎(chǔ)應(yīng)力狀態(tài)，減少塑性區(qū)域，避免局部破壞。

(3) 小導(dǎo)管注漿后漿液擴(kuò)散并凝固，可以封閉原有導(dǎo)水裂隙，削弱富含黏土礦物的底鼓段強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖和千枚狀粉砂巖膨脹軟化。

(4) 有效提升底板圍巖強(qiáng)度，避免斷層帶等復(fù)雜構(gòu)造下支護(hù)體系受力不均從而使圍巖擠壓流動(dòng)導(dǎo)致隆起。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 建立模型

采用FLAC3D程序進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)生底拱位置實(shí)際埋深為80 m，故本次模擬該深度隧道施工過(guò)程。注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度先采用4 m、5 m、6 m和7 m加固等四種方案。圍巖和隧道結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，注漿小導(dǎo)管采用直徑Φ50、環(huán)向間距0.8 m的Cable單元模擬，假定鋼管與注漿區(qū)無(wú)相對(duì)滑移。斷層破碎帶采用程序獨(dú)特的接觸面命令I(lǐng)nterface實(shí)現(xiàn)，接觸面采用無(wú)厚度單元，本構(gòu)模型為庫(kù)侖剪切模型。

4.2 計(jì)算參數(shù)確定

依據(jù)地勘資料對(duì)計(jì)算模型參數(shù)進(jìn)行取值，圍巖考慮砂土狀強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖夾千枚狀粉砂巖和弱風(fēng)化灰?guī)r兩種，仰拱段主要是弱風(fēng)化灰?guī)r。采用小導(dǎo)管注漿后圍巖參數(shù)資料現(xiàn)場(chǎng)缺乏，可參考文獻(xiàn)[10]取值，注漿后圍巖的彈性模量和黏聚力分別提高50%。斷層接觸面圍巖較為軟弱[15]，黏聚力按灰?guī)r1/20選取，內(nèi)摩擦角按灰?guī)r1/2選取，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

考慮篇幅因素，選取有代表性的圍巖豎向位移和圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析。

4.3.1 圍巖豎向位移分析

分析僅換拱但未施加注漿小導(dǎo)管條件下、注漿小導(dǎo)管先考慮4 m、5 m、6 m和7 m等四種方案。

僅換拱但未施加注漿小導(dǎo)管條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-52.40 mm，沉降較大，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為61.93 mm，隆起量較大；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4 m條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-52.17 mm，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為61.52 mm，較前一工況更小，但變形依然明顯；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5 m條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-52.15 mm，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為60.22 mm，較前一工況略有改善；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6 m條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-6.30 mm，沉降有較大減小，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為35.20 mm，隆起量也有較大減??；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為7 m條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-6.30 mm，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為35.20 mm，豎向位移峰值和注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6 m的情況相等。

4.3.2 圍巖塑性區(qū)分析

僅換拱但未施加注漿小導(dǎo)管條件下、注漿小導(dǎo)管先考慮4 m、5 m、6 m和7 m等四種方案條件下圍巖塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖4。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布圖

僅換拱但未施加注漿小導(dǎo)管條件下，隧道拱頂?shù)焦把秶鷥?nèi)其圍巖未出現(xiàn)剪切破壞，但是仰拱局部部位其圍巖出現(xiàn)了剪切破壞；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4 m條件下，隧道圍巖未出現(xiàn)剪切破壞，塑性分布較前一工況有了改善；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5 m條件下塑性區(qū)和上一工況相似；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6 m條件下隧道圍巖未出現(xiàn)剪切破壞，塑性分布有較大改善；施加注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為7 m后，相對(duì)于注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6 m的情況，隧道圍巖的塑性分布幾乎相等。

4.3.3 小導(dǎo)管長(zhǎng)5.5 m時(shí)圍巖豎向位移和塑性區(qū)分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6.0 m條件下，圍巖位移與塑性區(qū)分布較5.0 m條件明顯改善，為了進(jìn)一步分析，取小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5.5 m計(jì)算，所得圍巖豎向位移分布云圖和圍巖塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖5。

圖5 小導(dǎo)管5.5 m時(shí)圍巖豎向位移和塑性區(qū)分布圖

注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5.5 m條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-41.1 mm，沉降較5.0 m小導(dǎo)管有一定減小，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為47.2 mm，隆起量也有一定量減小，位移開(kāi)始進(jìn)入變化明顯階段，但不如6.0 m小導(dǎo)管效果；注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5.5 m條件下隧道圍巖未出現(xiàn)剪切破壞，塑性分布較5.0 m小導(dǎo)管時(shí)有一定改善，也不如6.0 m時(shí)明顯。

4.3.4 計(jì)算結(jié)果小結(jié)

由以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)僅換拱但未施加注漿小導(dǎo)管條件下，隧道頂部圍巖沉降較大，仰拱位置隆起量偏大，隧道拱頂?shù)焦把秶鷥?nèi)其圍巖未出現(xiàn)剪切破壞，但是仰拱局部部位其圍巖出現(xiàn)了剪切破壞。隧道圍巖位移分布特性的改善作用有限，因此有必要在換拱的基礎(chǔ)上施加注漿小導(dǎo)管，以改善隧道圍巖和襯砌的位移及主應(yīng)力分布特性；在僅換拱的基礎(chǔ)上先施加注漿小導(dǎo)管(長(zhǎng)度為4.0 m)后，隧道圍巖的最大豎向位移略有減小，隧道圍巖的塑性分布也有改善；當(dāng)注漿小導(dǎo)管增長(zhǎng)為5.0 m后，相對(duì)于4.0 m的情況，隧道圍巖仰拱位置豎向位移減小了2.1%，兩種長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖塑性分布的改善效果幾乎相等；當(dāng)注漿小導(dǎo)管增長(zhǎng)為6.0 m后，相對(duì)于5.0 m的情況，隧道圍巖仰拱位置豎向位移減少42.5%，變化明顯，且隧道圍巖的塑性分布也改善較大；當(dāng)注漿小導(dǎo)管增加為7.0 m后，相對(duì)于6.0 m的情況，兩種長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖的位移和塑性分布改善效果幾乎相等；當(dāng)注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5.5 m時(shí)，圍巖豎向位移仰拱位置較5.0 m時(shí)減少21.5%，位移開(kāi)始進(jìn)入明顯變化階段，隧道圍巖的塑性分布也有一定改善，但不如6.0 m小導(dǎo)管。

對(duì)比分析注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度采用4.0 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m和7.0 m加固等五種方案，考慮到安全和經(jīng)濟(jì)的前提下，對(duì)于本工程采用6.0 m長(zhǎng)度的注漿小導(dǎo)管是最為合適的。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

為驗(yàn)證小導(dǎo)管注漿措施實(shí)施前后過(guò)程中隧道穩(wěn)定性，對(duì)YK14+260—YK14+320底鼓災(zāi)害段范圍進(jìn)行隧道路基仰拱應(yīng)力、圍巖壓力監(jiān)測(cè)及填充層底鼓變形觀測(cè)。

5.1 路基仰拱應(yīng)力及圍巖壓力監(jiān)測(cè)

為掌握加固后型鋼的變形動(dòng)態(tài)，對(duì)更換仰拱進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，選擇YK14+272斷面同步安裝了壓力盒及鋼筋計(jì)，安裝壓力盒1只，鋼筋計(jì)2根，壓力盒緊貼仰拱下翼緣底面，鋼筋計(jì)兩端與仰拱上翼緣朝上面焊接，如圖6—圖8所示。

圖6 壓力盒及鋼筋計(jì)埋設(shè)圖

圖7 隧道右線(xiàn)YK14+272斷面壓力盒曲線(xiàn)圖

圖8 隧道右線(xiàn)YK14+272斷面鋼筋計(jì)曲線(xiàn)圖

由圖可知混凝土回填過(guò)程中對(duì)儀器有所擾動(dòng)，壓力盒和鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一些變化。從總體上看，壓力盒數(shù)據(jù)波動(dòng)較穩(wěn)；121382和121360兩根鋼筋計(jì)應(yīng)力值變化趨勢(shì)相似，都由原來(lái)的微小拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿簯?yīng)力，數(shù)值均較小，監(jiān)測(cè)應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)比較平穩(wěn)。

5.2 填充層底鼓變形觀測(cè)

針對(duì)路基隆起及開(kāi)裂實(shí)際情況，進(jìn)行了路基隆起監(jiān)測(cè)，路面的中心點(diǎn)共布設(shè)9個(gè)斷面，每斷面3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)測(cè)點(diǎn)，如表3所示。

表3 石林隧道右線(xiàn)路基隆起測(cè)點(diǎn)里程及測(cè)點(diǎn)編號(hào)

通過(guò)結(jié)果分析，在監(jiān)測(cè)斷面中，僅個(gè)別斷面因二次應(yīng)力調(diào)整路基隆起較明顯，具有代表性的測(cè)點(diǎn)編號(hào)為Q4，Q5,累積隆起分別為12.2 mm和10.2 mm，但在后續(xù)的監(jiān)測(cè)中兩斷面未出現(xiàn)繼續(xù)增大的趨勢(shì)，只有輕微的隆起。而其他斷面路基隆起位移變化較小，綜合分析說(shuō)明隧道圍巖內(nèi)部二次應(yīng)力在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不斷地調(diào)整，變形有逐漸趨于穩(wěn)定的跡象。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目隧道底鼓治理分析，得到如下結(jié)論：

(1) 隧道底鼓所處地質(zhì)條件及應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，采用有限元分析方法是可行的。

(2) 徑向注漿加固隧道底鼓能改善圍巖力學(xué)性能，提高承載力。

(3) 對(duì)比分析注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度采用4.0 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m和7.0 m加固等五種方案，考慮安全和經(jīng)濟(jì)的前提下采用6.0 m長(zhǎng)度注漿小導(dǎo)管最為合適。

(4) 監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證注漿后隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)漸趨穩(wěn)定。