穿越破碎帶鐵路隧道掌子面穩(wěn)定性分析

張超翔 張志強

【摘要】鐵路隧道穿越富水破碎帶時，開挖掌子面極易發(fā)生失穩(wěn)，影響開挖的安全進行，帶來巨大經(jīng)濟損失。針對這種問題，文章以浦梅鐵路某隧道為依托，建立了三維有限元流固耦合模型，分析了隨著開挖進行圍巖滲流場的變化規(guī)律，對掌子面失穩(wěn)進行了研究，得到了開挖滲流場和掌子面向隧道內(nèi)位移之間的聯(lián)系規(guī)律，為以后施工及時應(yīng)對掌子面失穩(wěn)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】隧道; 破碎帶; 掌子面; 流固耦合; 穩(wěn)定性評價

【中國分類號】U455.49【文獻標志碼】A

富水破碎帶是一種不良地質(zhì)狀況，當鐵路隧道穿越破碎帶時，地下水的滲流作用對掌子面的平衡造成擾動，引發(fā)掌子面產(chǎn)生失穩(wěn)破壞、塌陷，甚至是突水突泥。這些現(xiàn)象的發(fā)生將會造成事故。因此，關(guān)于評價穿越富水破碎帶隧道開挖掌子面穩(wěn)定性的問題亟待解決。

對于掌子面穩(wěn)定性的問題，王德明[1]結(jié)合模型試驗、數(shù)值模擬等各種方法對隧道突水突泥災(zāi)變演化過程開展了研究，孟凡樹[2]通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬等手段綜合探討了隔水巖盤最小安全厚度的問題，何磊等[3]通過有限差分軟件研究了排水導(dǎo)管在穿越富水斷層破碎帶隧道中發(fā)揮的作用，尚明源[4]針對富水區(qū)隧道穿越斷層破碎帶進行了掌子面的穩(wěn)定性控制研究，張騫等[5]對于穿越破碎帶松散巖土體隧道提出了掌子面穩(wěn)定巖體的最小安全厚度計算方法。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文以浦梅鐵路某隧道為工程依托，建立了三維有限差分數(shù)值模型，通過流固耦合分析，對穿越破碎帶鐵路隧道開挖掌子面穩(wěn)定性進行了分析評價。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立及參數(shù)選取

本文使用FLAC3D的流固耦合部分進行分析，參照浦梅鐵路實際設(shè)計隧道斷面，按照單線單洞鐵路隧道進行建模，并設(shè)置初期支護以及二次襯砌。將圍巖假設(shè)為一種“三明治分布”，即圍巖地表水平，兩層正常圍巖之間夾雜一層破碎帶，各個巖層豎直相間分布。建立的模型如圖1所示。

數(shù)值模型的邊界條件由兩個部分組成，分別是位移邊界部分和滲流邊界部分：

（1）位移邊界：將模型的四個側(cè)面和一個底面設(shè)置為位移邊界，約束垂直模型表面方向的位移;模型頂面為自由邊界。

（2）滲流邊界：將模型的四個側(cè)面和一個底面設(shè)置為不透水邊界，將地下水條件設(shè)置為60 m恒定水頭。

選擇Mohr-Coulomb彈塑性模型作為計算模型巖土體的本構(gòu)，選用Elastic彈性模型模擬初期支護和二次襯砌。

結(jié)合浦梅鐵路實際工程地質(zhì)勘測報告，參照TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》以及GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的建議設(shè)計取值，模型采用的各部分圍巖和支護的力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)見表1、表2。

1.2 掌子面防突體

如圖2所示的隧道開挖掌子面與破碎帶之間的巖土體定義為防突體，將防突體的厚度定義為掌子面失穩(wěn)破壞的臨界厚度，用以評價掌子面穩(wěn)定性情況。

對于此種地質(zhì)條件下的掌子面穩(wěn)定性評價，掌子面向隧道內(nèi)位移的陡然變大可作為掌子面是否穩(wěn)定的判據(jù)[4]。如圖3所示。

2 結(jié)果分析

2.1 掌子面滲流場

由于隧道的開挖，原來的圍巖不能維持水土平衡，需要達到一種新的平衡，而孔隙水壓力對掌子面的穩(wěn)定具有十分重要的影響，有必要對孔隙水壓力的演變進行研究。

根據(jù)上文建立的數(shù)值計算模型，分別計算隧道不同開挖深度下圍巖的滲流場，即計算不同防突體厚度下圍巖的孔隙水壓力場。得到的結(jié)果如圖4所示。

分析圍巖孔隙水壓力云圖，可以得到以下幾條結(jié)論：

（1）圖4（a）～圖4（c）較為接近，由于隧道的開挖，掌子面表面水頭降為0，掌子面上方土體孔隙水壓力減小，掌子面前方孔隙水壓力等值線上凸，水壓力增大，產(chǎn)生超孔隙水壓力。

（2）圖4（d）、圖4（e），即防突體厚度在2～6 m之間時，掌子面前方孔隙水壓力減小，接近未開挖情況下孔隙水壓力分布。

（3）圖4（f）中，即隧道開挖至破碎帶，無防突體存在，此時地下水涌入隧道，掌子面前方孔隙水壓力大面積急劇減小，可以認為掌子面發(fā)生突水，掌子面受力平衡破壞。

2.2 掌子面位移

根據(jù)上文所建模型進行掌子面向隧道內(nèi)位移分析，得到如圖5所示的防突體厚度與掌子面位移之間的關(guān)系圖。

本模型掌子面向隧道內(nèi)位移變化由平緩到陡峭臨界點在4 m左右，即臨界防突體厚度為4 m。

根據(jù)上一節(jié)所示的掌子面滲流場變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，防突體厚度4 m階段介于2～6 m之間，處于掌子面前方孔隙水壓力減小階段，本階段掌子面超孔隙水壓力消失，壓力大小接近圍巖未開挖狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文建立了三維有限元流固耦合模型，分析了鐵路隧道穿越破碎帶掌子面穩(wěn)定性，得到了以下結(jié)論：

（1）隧道穿越破碎帶隨著開挖的進行，掌子面越接近破碎帶，掌子面向隧道內(nèi)位移越大，位移隨開挖的進行將會在某個距離開始急劇增大。

（2）圍巖滲流場隨著防突體的逐漸減小，主要有三階段的變化，第一階段掌子面前方孔隙水壓力增大，第二階段孔隙水壓力回到未開挖水平，第三階段孔隙水壓力大范圍減小，突水發(fā)生。

（3）實際工程中，應(yīng)及時檢測掌子面前方土體孔隙水壓力，當水壓力減小到未開挖水平時，掌子面接近失穩(wěn)，應(yīng)當盡快采取措施加固掌子面。

參考文獻

[1] 王德明. 泥質(zhì)斷層破碎帶隧道突水突泥災(zāi)變機理研究及應(yīng)用[D].濟南：山東大學(xué)，2017.

[2] 孟凡樹. 深埋隧道斷層破碎帶突水力學(xué)判據(jù)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2019.

[3] 何磊，張志強.富水高壓隧道通過斷層破碎帶高位排水技術(shù)研究[J].四川建筑，2019，39（3）：156-157+161.

[4] 尚明源. 富水區(qū)隧道掌子面穩(wěn)定性分析及防排水結(jié)構(gòu)體系研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[5] 張騫，白松松，高昱，等.穿越破碎帶隧道掌子面力學(xué)模型及最小安全厚度研究[J].中國公路學(xué)報，2018，31（10）：141-149+219.