隧道圍巖極限平衡分析及失穩(wěn)處置

尚璽,袁越,廖孟光,秦堅(jiān),蘇海波

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭 411201;3.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭 411201;4.地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;5.廣州云舟智慧城市勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 511400)

地鐵的開發(fā)極大地緩解了城市交通壓力,然而,地鐵隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)制約著隧道的安全掘進(jìn).盾構(gòu)法已成為我國城市地鐵隧道施工的主流施工方法,盾構(gòu)施工不可避免地會(huì)對(duì)隧道周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)形成地層損傷,一方面改變受擾動(dòng)巖土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài);另一方面改變巖土體力學(xué)特性,致使作用在管片結(jié)構(gòu)上的荷載發(fā)生變化,產(chǎn)生附加內(nèi)力[1].國內(nèi)一些專家學(xué)者通過引入損傷力學(xué),推導(dǎo)出節(jié)理巖土的損傷本構(gòu)模型,從宏觀力學(xué)效應(yīng)上對(duì)圍巖土穩(wěn)定性進(jìn)行分析[2].我國幅員遼闊,地質(zhì)構(gòu)造在不同地區(qū)有著很大的差別,應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下隧道掘進(jìn)的問題需要有不同的解決方案.

近年來眾多專家學(xué)者對(duì)地鐵隧道施工進(jìn)行了大量的研究.酈亮[3]應(yīng)用FLAC3D模擬研究了北京地鐵10號(hào)線盾構(gòu)施工對(duì)周邊的影響,通過理論模擬、數(shù)值分析計(jì)算等對(duì)地表沉降做出模擬監(jiān)測(cè)；朱訓(xùn)國等[4]根據(jù)大連地鐵建設(shè)構(gòu)建物理模型試驗(yàn),并對(duì)巖土塊進(jìn)行施壓試驗(yàn),分析隧道施工中輔助設(shè)施的位移變化,以此推測(cè)地層的移動(dòng)情況；高健等[5]分析研究了隧道掘進(jìn)過程中的多種穩(wěn)定問題；姚華彥等[6]比較了工程地質(zhì)判別法、理論解析解、數(shù)值解法等對(duì)巖土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法,采用數(shù)值模擬技術(shù)分析合肥地鐵1號(hào)線穿過南淝河處的地質(zhì)情況,為隧道在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的加固支護(hù)提供了依據(jù)；李杰等[7]應(yīng)用圍巖松動(dòng)壓力理論計(jì)算淺埋洞室的應(yīng)力,并利用有限元分析模擬確定支護(hù)方式,保障隧道安全穩(wěn)定掘進(jìn).

本文針對(duì)長沙地鐵6號(hào)線東湖-韶光區(qū)間隧道上覆巖層失穩(wěn)問題,采用極限平衡理論對(duì)巖層應(yīng)力情況變化及失穩(wěn)誘因進(jìn)行研究,通過水泥-水玻璃雙液注漿維穩(wěn)處置并配合水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè),使隧道上覆巖層穩(wěn)定,保障了施工與路面行車安全.

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

長沙地鐵6號(hào)線東湖—韶光線路出東湖站后,沿人民東路向東北方向前行進(jìn)入韶光站,如圖1所示.該路段采用盾構(gòu)法施工,路段左、右線為分修的單線隧道,右線全長782.02 m,左線全長784.24 m.左右隧道間距15.2～17.2 m,隧道埋深11.12～13.49 m,隧道設(shè)計(jì)直徑6.2 m.在施工行進(jìn)到320 m處出現(xiàn)上覆巖土失穩(wěn)現(xiàn)象,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)出土量大,路面巖土松軟,裂隙明顯增多,并出現(xiàn)失穩(wěn)冒水現(xiàn)象,威脅路面行車安全.

圖1 施工線路失穩(wěn)位置

1.2 工程地質(zhì)及水文

東湖—韶光段自上而下地層分別為瀝青路面、雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,巖土信息見表1.隧道主要穿行于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層.

本工點(diǎn)線路與瀏陽河最近距離約1.4 km.由于瀏陽河為湘江支流,平水期瀏陽河補(bǔ)給湘江,豐水期易形成湘江“倒灌”瀏陽河現(xiàn)象.本場地透水性地層與瀏陽河透水性地層雖距離較遠(yuǎn)但仍存在水力聯(lián)系.工程場地包含松散土層孔隙水(上層滯水、孔隙承壓水)及基巖裂隙水2大類,但由于大部分地段圓礫層與基巖含水層直接連通,由此,孔隙承壓水與基巖裂隙水可視作同一層地下水.

表1 隧道上覆巖土信息

2 盾構(gòu)隧道軟弱圍巖穩(wěn)定的極限平衡分析

考慮隧道圍巖體間滑動(dòng)阻力對(duì)圍巖自身重力的影響,可依據(jù)圍巖的極限平衡理論進(jìn)行分析[8].根據(jù)項(xiàng)目實(shí)況繪制截面理論模型(假設(shè)巖體厚度為0),如圖2所示.

圖2 隧道圍巖壓力計(jì)算示意圖

三角體巖土下滑對(duì)正上方圍巖產(chǎn)生的阻力T為

T=T1+T2.

(1)

式中:T1為巖體ABF下滑阻力;T2為側(cè)向未擾動(dòng)圍巖的阻力.

AF與DE為假定破裂面,抗剪強(qiáng)度取決于滑面的摩擦角與黏結(jié)力,為簡化計(jì)算采用巖土的似摩擦角φ0.而上覆巖土BCIG與三角體的摩擦角θ與φ0是不同的,因?yàn)锽G與CI并未發(fā)生破裂,所以它應(yīng)介于零和巖土似摩擦角之間.θ值與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系,在計(jì)算時(shí)可以取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)字.

基于上述假定,根據(jù)力學(xué)平衡條件,作用在隧道頂部總垂直壓力Q為

Q=W1-2T1sinθ.

(2)

式中:W1為巖體BCIG的重量.

圖3 圍巖摩擦阻力計(jì)算示意圖

為分析三角體巖土對(duì)上方土體的挾制力,對(duì)巖體ABF的受力分析如圖3所示.

根據(jù)力的平衡條件得

(3)

按正弦定理有

(4)

令

(5)

得出

(6)

由極限平衡理論可知,因?yàn)門為BF面的帶動(dòng)下滑力,則τ為其側(cè)壓力系數(shù),因此可得出

(7)

(8)

得出總垂直壓力

Q=W1-γh2τtanθ.

(9)

隧道平均埋深H=14 m,荷載高度h=9.9 m,局部破壞長度L=10 m.根據(jù)東湖-韶光段上覆巖土類型和工程經(jīng)驗(yàn)取值,東湖-韶光段上覆巖土多數(shù)為泥質(zhì)充填,呈石夾土狀或土夾石狀,圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)可取φ0為40°～50°,θ為φ0的0.5～0.7倍,圍巖重度γ的取值范圍是17～20 kN/m3.結(jié)合工程參數(shù),為便于計(jì)算取似摩擦角φ0=45°,計(jì)算得出W1=11 048.4 kN,垂直應(yīng)力為11 143.67 kN.根據(jù)極限平衡理論得出的結(jié)果分析,在施工進(jìn)程中兩側(cè)摩擦阻力無法對(duì)垂直應(yīng)力進(jìn)行阻動(dòng),給項(xiàng)目施工造成了圍巖剪切滑移、路基失穩(wěn)、掘進(jìn)難度加大等問題.根據(jù)維穩(wěn)前計(jì)算結(jié)果可得在局部范圍內(nèi)摩擦阻力相較于圍巖自重差值較小,當(dāng)失穩(wěn)長度加大時(shí)(例如此項(xiàng)目失穩(wěn)長度延伸值大于30 m),隧道上覆巖土極易出現(xiàn)垮落,因此,需加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定強(qiáng)度.

注漿支護(hù)可使破碎的圍巖連接成塊,從而加大圍巖強(qiáng)度與圍巖等級(jí).根據(jù)注漿加固體強(qiáng)度估計(jì)[9],維穩(wěn)后可按照Ⅳ級(jí)圍巖等級(jí)計(jì)算,即似摩擦角φ0取60°,圍巖重度取22 kN/m3,垂直應(yīng)力可達(dá)到14 212.55 kN,增加了原圍巖重力的28%,隧道管片能夠支撐的上覆巖層應(yīng)力加大,提高了隧道掘進(jìn)的穩(wěn)定性.

3 隧道圍巖局部失穩(wěn)現(xiàn)場處置

圖4 注漿施工流程

根據(jù)圍巖極限平衡理論,加強(qiáng)上覆巖層圍巖等級(jí),增大圍巖之間摩擦力,能夠有效防止巖土垮落、路基失穩(wěn)等工程問題.隧道工程的維穩(wěn)方法常用的有錨桿支護(hù)、管棚鋼架支護(hù)和注漿支護(hù).其中管棚鋼架支護(hù)多用于隧道內(nèi)對(duì)拱頂?shù)闹ёo(hù)；錨桿支護(hù)需利用巷旁圍巖減弱圍巖壓力,進(jìn)而穩(wěn)定巷道應(yīng)力；混合漿體注入到圍巖含水層與隔水層之間的溶洞與裂隙中,能夠迅速填充其空隙,并使含水層與隔水層粘結(jié)凝固為一體,雙液注漿可以對(duì)松散地層進(jìn)行凝固,使其固結(jié)為同一整體,改善施工條件,可阻隔地下含水層對(duì)垂直應(yīng)力的影響[10].混合注漿技術(shù)更適合解決該類工程失穩(wěn)問題,施工流程如圖4所示.

隧道上覆巖層失穩(wěn)后,便進(jìn)行維穩(wěn)處置.首先在失穩(wěn)的路面鉆孔,嵌入注漿管道.注漿孔位置如圖5所示.再在路面上將水泥-水玻璃注漿液按比例混合好后使用注漿機(jī)將其注入失穩(wěn)的巖層中,增加圍巖強(qiáng)度.在注漿過程中要防止因?yàn)樽{機(jī)壓力過大而出現(xiàn)跑漿的情況,因?yàn)闈{體在注入時(shí)成液狀,未凝結(jié)時(shí)會(huì)對(duì)路基巖土造成沖擊,易使未松動(dòng)巖土體破損造成路面失穩(wěn)；當(dāng)其凝結(jié)后體積膨脹,對(duì)路面亦會(huì)帶來安全隱患.注漿參數(shù)信息見表2.

圖5 注漿孔位置

表2 注漿參數(shù)

4 監(jiān)測(cè)及處置效果分析

對(duì)隧道上覆巖土垮落區(qū)使用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行日常二等水準(zhǔn)測(cè)量,實(shí)時(shí)掌控隧道路基地表的沉降情況,以觀察注漿對(duì)隧道圍巖維穩(wěn)效果.通過沉降監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確找出隧道沉降規(guī)律,預(yù)測(cè)變化速率、幅度、范圍及可能產(chǎn)生的危害,為采取措施提供準(zhǔn)確、科學(xué)的監(jiān)測(cè)資料[11].

在距離施工段50 m擾動(dòng)圈范圍外設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn),基準(zhǔn)點(diǎn)的高程使用GPS-RTK技術(shù)或全站儀從高等水準(zhǔn)控制網(wǎng)進(jìn)行支線測(cè)量.考慮道路過往車輛的頻繁,基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)立在道路外圍的固定設(shè)施處,以減小基準(zhǔn)點(diǎn)誤差.由基準(zhǔn)點(diǎn)起點(diǎn)開始進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量,對(duì)隧道右線中線點(diǎn)著重進(jìn)行測(cè)量,采集失穩(wěn)范圍中心點(diǎn)處的高程變化情況,繪制折線圖進(jìn)行分析,如圖6所示.

圖6 水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖6可知,隧道掘進(jìn)過程中在未到達(dá)失穩(wěn)區(qū)時(shí)(4日—5日)地表隆起,誤差在允許范圍內(nèi).隧道掘進(jìn)至YDK45+831到Y(jié)DK45+781范圍內(nèi)即6日位置,路面急劇下沉,超過3 mm誤差警戒線,路面出現(xiàn)較大縫隙和失穩(wěn)現(xiàn)象.隨即開始在隧道上覆巖層注入水泥-玻璃水注漿液進(jìn)行維穩(wěn).圖中9日—13日監(jiān)測(cè)信息顯示,經(jīng)過一段時(shí)間的漿液固化,路基膨脹、地表高程上升.14日—17日之間漿體與巖土充分結(jié)合,路面高程逐步趨于穩(wěn)定.18日之后,經(jīng)過一段時(shí)間固化后的漿體與巖土充分結(jié)合,地表沉降值趨于穩(wěn)定.

5 結(jié)論

1)隧道掘進(jìn)遇到散體或松軟巖土地段,隧道側(cè)面滑動(dòng)阻力受地質(zhì)條件限制,不足以挾制垂直應(yīng)力對(duì)隧道的作用,為保證此地段掘進(jìn)安全施工,應(yīng)考慮增強(qiáng)巖土間的摩擦阻力.

2)采用水泥-水玻璃雙液注漿能夠快速凝結(jié)成固,加速巖土間的結(jié)合,適用于隧道圍巖條件差、多散體的地段,對(duì)隧道突發(fā)失穩(wěn)、交通條件復(fù)雜的環(huán)境下有利于加強(qiáng)隧道圍巖穩(wěn)定.

3)使用水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)地表沉降監(jiān)測(cè)能夠反映出隧道維穩(wěn)前后高程變化,反饋?zhàn){維穩(wěn)效果.在地質(zhì)構(gòu)造簡單、圍巖強(qiáng)度低的地段施工時(shí),為保障施工安全可考慮降低預(yù)警線,降低報(bào)警水準(zhǔn)高程差值,增大監(jiān)控強(qiáng)度.