淺埋富水全風化花崗巖公路隧道塌方數(shù)值模擬分析*

茶增云，朱 濤，沈孟龍，劉金叨，趙興春

(1.西雙版納景海高速公路建設(shè)投資有限公司，云南 景洪 666100； 2.云南臘滿高速公路有限公司，云南 西雙版納 666300； 3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 4.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隧道塌方是隧道中常見且危害較大的地質(zhì)災(zāi)害[1]，已有不少學者進行了相關(guān)研究。劉利生等[2]以穿越傾斜巖層段隧道施工塌方為工程背景，基于圍巖的工程力學特性，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究隧道塌方的力學機理。張毅等[3]結(jié)合理論推導、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，研究李家坪隧道施工時發(fā)生塌方冒頂事故的機理。楊成忠等[4]總結(jié)災(zāi)害誘發(fā)因子，提出處理措施，并利用數(shù)值模擬分析隧道涌水塌方原因。任和祥[5]提出3種預防治理公路塌方的施工方案，并依次進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)相同圍巖力學條件下，以鋼拱架作為圍巖的支護措施可顯著降低隧道塌方次數(shù)，減小圍巖變形量。張冬梅等[6]建立隧道-土體離散元計算模型，模擬隧道不同區(qū)域發(fā)生局部滲流侵蝕土體時隧道圍巖變形、地表沉降及隧道圍巖應(yīng)力分布變化。張萬志等[7]運用FISH語言對FLAC3D流固耦合模塊中非飽和滲流部分進行改進，同時模擬滲流過程中土體含水量增加導致土體強度參數(shù)折減及膨脹力增加的特點，總結(jié)不同降雨強度下雨水滲入膨脹土隧道圍巖變形數(shù)值模擬方法。

由于全風化花崗巖力學性能差，巖體軟弱，工程擾動后極易失穩(wěn)，導致隧道產(chǎn)生大變形、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，嚴重影響施工進程。因此，研究淺埋富水全風化花崗巖公路隧道施工災(zāi)害問題非常有必要，本文依托云南景洪—勐海高速公路建設(shè)工程，研究總結(jié)淺埋富水全風化花崗巖公路隧道安全施工模擬技術(shù)。

1 工程概況

賓房2號隧道屬于景海高速公路，靠近勐海縣，為分離式隧道。右幅全長2 230m，從K29+995—K32+225，最大埋深119m；左幅全長2 225m，從ZK30+017—ZK32+235，最大埋深118m。

1.1 地質(zhì)條件

粉質(zhì)黏土⑥1-2呈棕紅色、淡黃色，可塑狀，土體表面光滑但無光澤，韌性及干強度中等。鉆孔揭露厚度0.8～2.8m。隧址區(qū)表層多有分布。

粉質(zhì)黏土⑥1-3呈褐黃、灰黃、藍灰色，硬塑狀，稍濕，土體表面光滑但無光澤，韌性及干強度中等，土質(zhì)基本均勻。局部見全風化花崗巖碎粒。鉆孔揭露厚度5.0～7.0m。分布在隧址區(qū)出口段表層。

碎石土⑥6-3呈褐黃、灰黃色，濕，稍密～中密，母巖成分為強風化花崗巖，棱形、亞棱形為主，見少量石英石。鉆孔揭露厚度約2.0m。

2)華力西晚期(γ43)巖漿巖

植物精油是從植物根、莖、葉或種子中分離提取得到的精油。這些精油具有一定的抑菌和抗氧化作用，可以作為天然的防腐劑運用到食品工業(yè)當中[1]。丁香酚(Eugenol，4-烯丙基-2-甲氧基苯酚)是提取自丁香花蕾的一種精油，可作為香料使用[2]，其分子式為C10H12O2，化學結(jié)構(gòu)式如圖1所示，這種甲氧基苯酚對光敏感，在某些情況下可被用作抗氧化劑和氧化劑[3]。丁香酚具有廣譜抗菌性，可通過破壞細胞膜而抑制沙門氏菌等的生長[4]。因此，丁香酚可以作為天然的抗氧化劑和防腐劑以及香味劑應(yīng)用在食品工業(yè)中。然而丁香酚暴露在空氣中時極不穩(wěn)定，容易揮發(fā)，且在水中幾乎不能溶解，極大地限制了其應(yīng)用范圍。

1.2 氣象與水文條件

隧道所處北亞熱帶雨林氣候區(qū)，年降雨量1 291.2～1 943.9mm，每年5—10月為雨季，雨季降雨量占全年總降雨量的86%，月降雨量最高達410mm，雨季較長，施工時更應(yīng)注意防范隧道涌水。

隧址內(nèi)地下水以碎屑巖裂隙水為主，賦存于華力西晚期花崗巖中?；鶐r裂隙水含水層屬地下潛水，富水性中等～較弱，埋深較淺，補給以大氣降水為主，多以溪溝就近排泄，以散流狀向河谷匯集，徑流短。

1.3 K31+565.5塌方概況

K31+500—K31+636段地質(zhì)縱剖面如圖1所示，右幅隧道K31+565.5處圍巖性質(zhì)發(fā)生變化，隧道頂板上由中風化花崗巖變?yōu)槿L化花崗巖。2020年6月16日此處施工過程中，上臺階圍巖破碎、松散、自穩(wěn)能力差且滲水較嚴重，初噴混凝土開裂，掌子面發(fā)生涌水涌砂，加上連續(xù)降雨，此處滲水量加大，最終造成塌方，掌子面涌出約10m。同時由于隧道內(nèi)部塌陷，巖土體向下遷移，頂部上方地表發(fā)生塌陷(見圖2)，塌陷面積長約7m，寬約6m，塌方量500～600m3。

圖1 K31+500—K31+636段地質(zhì)縱剖面

圖2 地表塌陷

通過現(xiàn)場調(diào)查與分析，采用瞬變電磁法[8]，發(fā)現(xiàn)上方有1個風化槽，內(nèi)部完整性較差，巖體強度有明顯弱化趨勢，并以此建立數(shù)值模型，模擬滲流條件下隧道的變形，以確定整治措施。

2 室內(nèi)試驗

設(shè)計圍壓為100，200，400，600kPa 4組試驗，各組按10%，15%，20%，26.5%(飽和)4種不同含水率展開三軸剪切試驗。試驗結(jié)果如圖3，4所示。

圖3 不同含水率下的強度參數(shù)值

圖4 不同條件下的抗剪強度

表2 力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

采用六面體單元，共劃分12 993個單元，取隧道洞徑的3～5倍，根據(jù)地質(zhì)剖面圖建立全風化花崗巖、中風化花崗巖地層，根據(jù)結(jié)果建立風化槽地形；通過提高加固區(qū)力學性質(zhì)實現(xiàn)超前注漿模擬，超前注漿范圍為120°，擴散半徑為1.5m；錨桿采用結(jié)構(gòu)單元模擬，錨桿長3m，間距為1m×0.5m，無管棚支護；初期支護采用實體單元模擬，厚0.25m。地層采用莫爾庫侖模型，襯砌采用彈性模型，邊界條件為四周固定。K31+565.5計算模型如圖5所示。

圖5 K31+565.5計算模型

3.2 計算參數(shù)

計算所需的流體和力學參數(shù)[9]如表1，2所示。其中鋼拱架的作用可采用等效方法考慮，即將鋼拱架的彈性模量折算給地層，計算方法如下[10]：

表1 流體參數(shù)

(1)

式中：E為折算后巖土層的彈性模量；E0為原巖土層的彈性模量；Sg為鋼拱架支護等效截面積；Eg為鋼拱架的彈性模量；Sc為支護斷面截面積。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1僅有風化槽

洞頂上方有風化槽條件下隧道數(shù)值模擬結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 豎向位移(單位：m)

圖7 圍巖豎向應(yīng)力(單位：Pa)

圖8 襯砌應(yīng)力(單位：Pa)

由圖6～8可知，隧道圍巖變形主要發(fā)生在開挖隧道上方，開挖引起拱頂以上圍巖沉降，最大沉降約4.57mm，出現(xiàn)在地層分界線處；地表沉降0.5～1mm。最大襯砌內(nèi)力出現(xiàn)在拱腰，約1.46MPa。隧道開挖后，打破了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重新分布，在隧道邊界出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；在隧道頂、底部出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，其他部位出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩，為1.98MPa。

3.3.2有風化槽加地表水滲流

根據(jù)當?shù)貧庀缶仲Y料，24h內(nèi)降雨量50～99.9mm為暴雨，暴雨降雨量取75mm，根據(jù)地表面積計算入滲取值8.68×10-7m/s，僅考慮隧道上方低洼處入滲。由于花崗巖遇水軟化，易崩解，對含有水的風化槽按試驗結(jié)果強度參數(shù)減少56.8%。降雨過程中邊坡孔隙水壓力分布如圖9所示。由圖9可知，地表處孔隙水壓力從0.332MPa增加到1.030MPa，是由于滲透系數(shù)較小，且降雨強度太大，雨水在局部聚集，導致孔隙水壓增大。雨水向下入滲深度逐步增加，風化槽中增加最明顯，在第3天入滲到達拱頂處。

圖9 孔隙水壓力分布(單位：Pa)

降雨過程中豎向位移分布如圖10所示。由圖10可知，3d最大位移值依次為15.5，28.1，51.6cm，均發(fā)生在風化槽與拱頂交界位置，結(jié)合圖9可發(fā)現(xiàn)雨水入滲深度越大，豎向位移越大，一方面這是由于雨水在重力和水壓力差的作用下向隧道內(nèi)部入滲，形成動水壓力，對巖土體進行沖刷；另一方面降雨導致巖土體含水率增大，巖土體抗剪強度降低，變形增大；且風化槽中位移變形比周圍巖土體位移大1個數(shù)量級，風化槽與拱頂交界處極有可能發(fā)生塌方。

圖10 降雨過程中豎向位移(單位：m)

4 監(jiān)測結(jié)果及處理措施

K31+565.5位移監(jiān)測曲線如圖11所示。由圖11可知，開挖過程中，位移曲線出現(xiàn)陡增，最大位移達290.7mm，氣象資料顯示當?shù)剡B續(xù)降雨，導致變形陡增，數(shù)值模擬揭示了雨水入滲及巖土體發(fā)生大變形的過程。根據(jù)上述分析，提出整治措施，進行地表加固和支護參數(shù)調(diào)整。

圖11 監(jiān)測曲線

沿隧道軸線采用φ108×6鋼花管進行豎向地表加固，鋼花管底面高程依據(jù)橫斷面圖以開挖輪廓線外1m控制，單根平均長度約20m，縱向每2m設(shè)置1排，橫向每排設(shè)置6根，間距為3m，相鄰2排錯開呈梅花形分布，壓注1∶1水泥漿液，注漿壓力≥0.75MPa。

原設(shè)計雙層小導管的超前支護，調(diào)整為φ108×6大管棚和φ42×4小導管作聯(lián)合超前支護，管棚每循環(huán)長度為20m、搭接4m，內(nèi)設(shè)鋼筋籠，小導管每循環(huán)長度4.5m，搭接長度2.5m。

5 結(jié)語

在隧道上方僅有風化槽的情況下，隧道開挖引起的位移較小。但若雨水滲入，開挖過程中由于風化槽松散的性質(zhì)，滲透系數(shù)相對較大，地表雨水更易在風化槽中形成滲流通道；由于含水風化槽強度降低，導致隧道上面地表雨水局部滲流，隨著滲流風化槽強度降低，隧道上方位移快速增大，導致隧道塌方，地表塌陷。

隧道施工過程中，若超前地質(zhì)預報發(fā)現(xiàn)圍巖存在風化槽或破碎帶等不良地質(zhì)體，應(yīng)提前對其進行加固處治，并加強支護，及時調(diào)整施工方式。降雨期間對地表流水進行處治，集中引排，減少地表流水滲入，同時補打洞內(nèi)排水孔。