考慮水力耦合效應(yīng)的超大直徑穿江隧道開挖擾動(dòng)分析

張紅彬, 劉 武, 商兆濤, 過申磊, 張振華, 王佐才

(1.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

巖體水力耦合作用研究在水工隧洞、水庫(kù)岸坡、二氧化碳地質(zhì)封存、深地資源或能源開采等諸多涉水工程的安全與性能評(píng)價(jià)中得到廣泛關(guān)注[1-5]。對(duì)于大型過江隧道,其在修建過程中需要面對(duì)開挖隧道直徑大、含水量高、自穩(wěn)性差等重要問題,施工過程中對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)大,易出現(xiàn)地表變形和位移過大等情況,可能導(dǎo)致開挖面塌陷、江水突涌等安全事故[6-7]。因此,富水地層隧道修建不可避免地遇到與水有關(guān)的巖體水力耦合問題,受巖體結(jié)構(gòu)及其所處工程地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜與不確定性影響,水力耦合問題研究一直極具挑戰(zhàn)。

針對(duì)隧道開挖擾動(dòng)響應(yīng)的模擬,相關(guān)研究大多主要考慮力學(xué)過程的影響[8-9],從水力耦合角度開展涉水隧道開挖擾動(dòng)響應(yīng)模擬的研究較少。文獻(xiàn)[10]依據(jù)流固耦合理論,采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)廈門海底隧道開挖施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析隧道開挖后的壓力分布、洞周位移、塑性區(qū)、孔隙水壓力分布等;文獻(xiàn)[11]以長(zhǎng)沙湘江大道瀏陽河隧道為例,結(jié)合數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從流固耦合角度分析不同區(qū)段不同工況下的水下隧道開挖;文獻(xiàn)[12]結(jié)合實(shí)際盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)資料,利用Plaxis軟件模擬分析考慮與不考慮流固耦合作用下盾構(gòu)機(jī)在砂卵石層中的掘進(jìn)情況;文獻(xiàn)[13]以某下穿庫(kù)區(qū)鐵路隧道工程為例,運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)比分析有、無滲流場(chǎng)作用和不同水深條件下,隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律以及圍巖變形、塑性區(qū)和滲流場(chǎng)的變化特性;文獻(xiàn)[14]利用FLAC3D有限差分軟件模擬分析海底隧道不同地質(zhì)條件下的耦合響應(yīng),發(fā)現(xiàn)水對(duì)海底隧道圍巖的影響比斷層大,在斷層與地下水耦合情況下,可能出現(xiàn)隧道失穩(wěn)。上述研究往往依托特定工程,研究成果受特定工程條件影響,且較少考慮巖體結(jié)構(gòu)特征與滲透特性演化等的影響,相關(guān)研究有待深入。

本文以安徽省首條過江隧道——蕪湖超大直徑過江隧道穿越長(zhǎng)江段為研究對(duì)象,基于TOUGHREACT軟件巖體水力耦合細(xì)觀力學(xué)模型[15],開展江底隧道開挖過程的水力耦合響應(yīng)模擬,根據(jù)蕪湖過江隧道工程特點(diǎn),考慮長(zhǎng)江水位變化、巖體水力耦合效應(yīng)及泥水盾構(gòu)支護(hù)水壓對(duì)開挖隧道圍巖變形的影響,并與不考慮水力耦合過程的一般模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從細(xì)觀力學(xué)角度揭示巖體結(jié)構(gòu)特征、水力耦合效應(yīng)等對(duì)不同江水位下開挖隧道周圍圍巖變形、江底地表變形、水壓力分布規(guī)律等的影響。

1 工程概況

蕪湖超大直徑過江隧道為安徽省第一條在建的淺埋特長(zhǎng)交通隧道,該隧道位于長(zhǎng)江皖江段“大拐彎”處,西起蕪湖市江北新城(鳩江區(qū)二壩鎮(zhèn))緯一路,東至江南主城的大工山路,距離下游的蕪湖長(zhǎng)江大橋約9.0 km,距離商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋約5.5 km。隧道全長(zhǎng)約4.5 km,采用泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)開挖,由江北工作井始發(fā),向南掘進(jìn)下穿長(zhǎng)江后,到達(dá)江南工作井接收,依次穿過全斷面土(砂)層、上軟下硬地層、全斷面巖層、破碎帶、上軟下硬地層、黏土層。盾構(gòu)隧道為圓形斷面,開挖直徑為15.07 m,采用管片拼裝式單層襯砌。江心部位隧道穿越地層主要為中風(fēng)化粉砂巖,頂部距離江底小于14 m,而上部長(zhǎng)江水深超過30 m,施工風(fēng)險(xiǎn)與難度大,在設(shè)計(jì)施工中需要重點(diǎn)考慮。在隧道開挖與江水滲流共同作用的水力耦合環(huán)境中,江底隧道圍巖變形破壞與滲流規(guī)律受到巖體水力耦合效應(yīng)的影響。本文分析水力耦合效應(yīng)、巖體內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)特征與支護(hù)水壓等對(duì)開挖響應(yīng)的影響。

2 計(jì)算理論和條件

2.1 水力耦合分析基本理論

巖體變形破壞過程與滲流過程在本質(zhì)上受控于內(nèi)部微裂紋或孔隙結(jié)構(gòu)特征[16]。水力耦合作用下,巖體內(nèi)部微裂紋或孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,巖體產(chǎn)生損傷破壞,對(duì)變形和滲流過程產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[15]提出的巖體水力耦合細(xì)觀力學(xué)模型主要適用于水力耦合作用下,巖體變形破壞主要由內(nèi)部錢幣型微裂紋萌生、擴(kuò)展與貫通所決定的情形。蕪湖過江隧道穿江段圍巖內(nèi)部微裂隙發(fā)育,圍巖變形破壞與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān),本文采用該模型進(jìn)行江底隧道開挖過程的數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[15]模型將材料宏觀力學(xué)響應(yīng)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化聯(lián)系起來,通過內(nèi)部微裂紋滑移、損傷擴(kuò)展和張開閉合等細(xì)觀力學(xué)行為來模擬巖體宏觀水力耦合響應(yīng)。令巖體中含nc組任意分布微裂紋,采用細(xì)觀力學(xué)方法,可得巖體力學(xué)本構(gòu)方程與滲透特性演化方程如下:

Σ=

(1)

K=(1-φ)ksδ+

(2)

TOUGHREACT軟件中水流運(yùn)動(dòng)控制方程為:

(3)

其中:ρ為水密度;q為單位體積質(zhì)量源匯項(xiàng);g為重力加速度;·表示張量的內(nèi)積運(yùn)算。

巖體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化由內(nèi)變量d、β和γ的演化來表征,通過微裂紋局部法向應(yīng)力Fβ、作用在裂隙面上的切向應(yīng)力Fγ和損傷共軛熱力學(xué)力Fd確定,即

微裂紋滑移剪脹引起內(nèi)變量β和γ的演化采用關(guān)聯(lián)的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則模擬,F=|Fγ|+Fβtanφc,φc為內(nèi)摩擦角。微裂紋損傷演化準(zhǔn)則采用可模擬全應(yīng)力-應(yīng)變過程的函數(shù)形式,即

(4)

其中:dc為損傷演化臨界值;V0為微裂紋損傷擴(kuò)展抵抗力最大值。

耦合模型的求解采用具有良好收斂性的雙場(chǎng)交叉迭代算法,在每個(gè)時(shí)間步內(nèi),先基于式(3)利用TOUGHREACT軟件進(jìn)行水流運(yùn)動(dòng)過程模擬,確定計(jì)算區(qū)域水壓力分布,然后基于預(yù)測(cè)-校正算法[16]對(duì)式(1)進(jìn)行數(shù)值求解,根據(jù)內(nèi)變量d、β、γ的值采用式(2)更新滲透系數(shù),然后進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算,直至達(dá)到指定計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。

2.2 計(jì)算模型與條件

根據(jù)蕪湖過江隧道穿越長(zhǎng)江江心段的布置特點(diǎn),建立有限元計(jì)算模型如圖1所示,模型六面體網(wǎng)格數(shù)為5 406,節(jié)點(diǎn)數(shù)為11 120。模型平面尺寸為200 m×200 m,模型頂部為江底,其高程為-32.8 m,整個(gè)模型均處于長(zhǎng)江水位以下,隧道頂部距江底13.57 m,圍巖為飽和狀態(tài)。計(jì)算模型頂部施加的荷載為水壓力荷載,根據(jù)長(zhǎng)江水位高程確定,江水位為4 m時(shí),等效壓力為0.368 MPa。計(jì)算模型底部和兩側(cè)均施加零位移法向約束。模型兩側(cè)設(shè)為隔水邊界,頂部取為固定水壓力邊界,其值根據(jù)長(zhǎng)江水位高程確定,初始時(shí)模型內(nèi)部水壓力呈梯形分布。

圖1 過江隧道江心段有限元計(jì)算模型

本文針對(duì)以下3種情形開展模擬分析:

情形1 根據(jù)長(zhǎng)江水位變化規(guī)律,考慮長(zhǎng)江水位分別為0、4、8、12 m的情況,分別采用耦合模型與一般模型進(jìn)行江底隧道開挖模擬分析;分析過程不考慮支護(hù)水壓作用,對(duì)應(yīng)泥水平衡盾構(gòu)掌子面發(fā)生漏水問題的情形,隧道開挖后洞周圍巖孔隙水壓力值降為0;巖體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)假定呈各向同性分布;水力耦合計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1 d。

情形2 長(zhǎng)江水位取多年平均水位4 m,考慮巖體結(jié)構(gòu)各向異性分布,采用耦合模型研究其對(duì)江底隧道開挖擾動(dòng)影響,分析過程不考慮支護(hù)水壓作用。

情形3長(zhǎng)江水位取多年平均水位4 m,考慮泥水平衡盾構(gòu)掌子面支護(hù)水壓作用,水壓力分別取0.40、0.50、0.58、0.65 MPa(后三者對(duì)應(yīng)隧洞頂部、中心與底部水壓力),采用耦合模型與一般模型研究支護(hù)水壓對(duì)江底隧道開挖響應(yīng)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 開挖荷載作用下的隧道圍巖變形分析

針對(duì)情形1,僅考慮開挖荷載作用時(shí),基于一般模型分析得到不同江水位條件下江底開挖隧道圍巖的水平和垂直位移分布如圖2、圖3所示。

圖2 一般模型不同江水位下開挖隧道周圍水平位移

圖3 一般模型不同江水位下開挖隧道周圍垂直位移

在隧道開挖卸荷作用下,洞周圍巖呈現(xiàn)向隧道的變形趨勢(shì)。由圖2可知,開挖隧道周圍水平位移最大值位于隧道兩側(cè)邊墻處,且隨著與洞周距離的增大而減小,沿隧道中軸線呈對(duì)稱分布。

隨著江水位增大,水平位移最大值由0 m江水位時(shí)的0.009 7 m逐漸增大到12 m江水位的0.011 9 m,增幅約23%。

由圖3可知,最大沉降位于隧道頂部,0、4、8、12 m江水位下最大沉降值分別為0.014 2、0.015 6、0.016 9、0.018 2 m。僅考慮開挖荷載作用時(shí),開挖隧道底部發(fā)生隆起變形,其值大于頂部沉降值,隨著江水位由0 m增大到12 m,洞底隆起值由0.026 4 m增加到0.028 0 m,增幅約6%。

3.2 開挖和滲流荷載作用下的隧道變形分析

針對(duì)情形1,開挖和滲流共同作用下,基于耦合模型分析得到江水位在0～12 m之間變化時(shí),江底開挖隧道圍巖的水平位移分布如圖4所示。由圖4可知:考慮水力耦合過程影響時(shí),在開挖隧道兩側(cè)邊墻和江底地表均產(chǎn)生較大的水平位移。0、4 m江水位時(shí),最大水平位移發(fā)生在隧道兩側(cè)邊墻處,分別為0.010、0.011 m;隨著江水位增大,滲流對(duì)巖體水平位移的影響增強(qiáng),8、12 m江水位時(shí),最大水平位移發(fā)生在江底地表,分別為0.012、0.013 m。

圖4 耦合模型不同江水位下開挖隧道周圍水平位移

隧道在開挖和滲流共同作用下,洞周巖體的垂直位移分布如圖5所示。

圖5 耦合模型不同江水位下隧道開挖周圍垂直位移

由圖5可知:洞周巖體在開挖隧道頂部產(chǎn)生顯著的沉降變形,而隧道底部的隆起變形卻非常小;隨著江水位增大,開挖隧道頂部沉降逐漸變大,而底部隆起值減小。在0、4、8、12 m江水位下,開挖隧道頂部沉降最大值分別為0.043 8、0.048 0、0.052 4、0.056 3 m,底部隆起最大值分別為0.004 7、0.003 7、0.002 5、0.001 8 m,開挖隧道底部隆起值比頂部沉降值小1個(gè)數(shù)量級(jí)。

滲流對(duì)開挖隧道圍巖變形的影響與水壓力分布密切相關(guān)。不同江水位下開挖隧道周圍巖體內(nèi)水壓力分布如圖6所示。由圖6可知,開挖隧道周圍存在明顯的水壓力降低區(qū)域,江水與洞周遠(yuǎn)區(qū)地下水向洞內(nèi)滲流,從而引起圍巖產(chǎn)生變形。

圖6 耦合模型不同江水位下開挖隧道周圍水壓力

3.3 水力耦合效應(yīng)對(duì)隧道開挖后江底變形影響

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)水力耦合效應(yīng)對(duì)地表變形的影響,針對(duì)情形1,采用一般模型與耦合模型分析不同工況下隧道開挖引起的江底豎直變形,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同江水位下江底豎直變形2種模型結(jié)果對(duì)比

由圖7可知,不考慮水力耦合過程時(shí),僅靠近隧道中軸線區(qū)域江底地面產(chǎn)生沉降,遠(yuǎn)離隧道區(qū)域地面發(fā)生少量隆起,江水位為0、4、8、12 m時(shí),江底地表沉降最大值分別為0.006 7、0.007 6、0.008 5、0.009 4 m,地表隆起最大值分別為0.004 5、0.004 4、0.004 3、0.004 2 m,江水位變化引起的沉降增幅不超過0.003 0 m?？紤]水力耦合過程時(shí),江底地面沉降明顯,無隆起現(xiàn)象,隧道中軸線處江底地面沉降最大,在0 m江水位時(shí)為0.036 m,12 m江水位時(shí)為0.049 m,江水位變化引起的增幅達(dá)0.013 m。由此可見,江水滲流作用對(duì)江底地面沉降變形影響很大,且隨著江水位增大,影響效應(yīng)更加明顯,實(shí)際分析中考慮水力耦合效應(yīng)非常重要。耦合模型很好地揭示了泥水平衡盾構(gòu)掌子面發(fā)生漏水等問題時(shí)隧洞開挖施工將產(chǎn)生過大變形的安全隱患,可為工程施工過程制定安全應(yīng)對(duì)措施提供依據(jù),而基于一般模型的研究結(jié)果會(huì)導(dǎo)致對(duì)相關(guān)問題產(chǎn)生偏危險(xiǎn)的判斷,不利于應(yīng)對(duì)措施的制定。

3.4 初始微裂紋分布對(duì)隧道開挖響應(yīng)的影響

巖體力學(xué)特性和滲透性受內(nèi)部初始微裂紋分布影響,受長(zhǎng)期地質(zhì)作用影響,巖體內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在3.1—3.3節(jié)分析中,巖體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)均假定呈各向同性分布,而實(shí)際穿江隧道某些區(qū)段圍巖內(nèi)部微結(jié)構(gòu)可能優(yōu)先沿某一方向分布。下面針對(duì)情形2,主要研究初始微裂紋優(yōu)先呈水平與垂直分布2種情況。

受初始微裂紋優(yōu)先水平或垂直發(fā)育影響,巖體初始滲透性各向異性特征顯著,沿微裂紋優(yōu)勢(shì)方向的滲透系數(shù)為1.5×10-7m/s,而垂直方向?yàn)?.0×10-9m/s。初始微裂紋各向同性、優(yōu)先呈水平與垂直發(fā)育時(shí),隧道開挖引起的江底地面豎直變形如圖8所示。

圖8 初始微裂紋3種分布下隧道開挖引起的江底豎直變形

由圖8可知,初始微裂紋分布特征對(duì)隧道開挖引起的江底地表變形響應(yīng)影響較大。微裂紋優(yōu)先垂直發(fā)育時(shí),隧道開挖引起江底地表豎直沉降變形呈拋物線分布,與各向同性情況時(shí)規(guī)律一致,但沉降值變小,最大沉降值為0.032 7 m。與初始微裂紋呈各向同性分布的結(jié)果相比,優(yōu)先水平發(fā)育時(shí),江底地表豎直沉降最大值減小,為0.037 2 m,但在距離隧道中軸線2倍洞直徑區(qū)域,豎直沉降增大,隧道開挖引起的江底地表沉降范圍擴(kuò)大。

初始微裂紋優(yōu)先呈水平和垂直發(fā)育時(shí),開挖隧道周圍水壓力分布如圖9所示。

圖9 初始微裂紋2種分布下開挖隧道周圍水壓力

由圖9可知,微裂紋優(yōu)先水平發(fā)育時(shí),水壓力降低區(qū)域明顯增大,從而導(dǎo)致在距開挖隧道較遠(yuǎn)區(qū)域地表也產(chǎn)生較大的沉降變形。由此可見,初始微裂紋各向異性分布對(duì)江底隧道開挖引起的地表變形與水壓力分布影響顯著,巖體內(nèi)部微裂紋等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的準(zhǔn)確表征對(duì)江底隧道開挖水力耦合響應(yīng)模擬非常重要。

3.5 支護(hù)水壓對(duì)隧道開挖響應(yīng)的影響分析

泥水平衡盾構(gòu)掌子面發(fā)生漏水問題時(shí),穿江隧道開挖將導(dǎo)致江底產(chǎn)生非常大的變形,影響隧道圍巖安全穩(wěn)定。采用泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)行穿江隧道開挖時(shí),可通過對(duì)掌子面施加支護(hù)水壓來減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。下面針對(duì)情形3,在支護(hù)水壓分別為0.40、0.50、0.58、0.65 MPa時(shí)開展研究。不同支護(hù)水壓下,采用2種模型計(jì)算隧道開挖引起的江底豎直變形結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同支護(hù)水壓下2種模型江底豎直變形結(jié)果

由圖10可知,支護(hù)水壓對(duì)江底隧道開挖引起的地表變形響應(yīng)影響較大。不考慮水力耦合過程時(shí),施加支護(hù)水壓將引起江底地面產(chǎn)生隆起,且最大隆起值隨支護(hù)水壓增大而變大,但支護(hù)水壓變化引起的江底地面位移變化幅度較小,最大變幅不超過0.006 m,據(jù)此無法有效進(jìn)行適宜支護(hù)水壓的確定?？紤]水力耦合過程時(shí),支護(hù)水壓對(duì)控制江底地面變形的作用顯著,無支護(hù)水壓時(shí),隧道中軸線江底最大沉降為0.041 m,0.40 MPa支護(hù)水壓時(shí)減小為0.010 m,0.50 MPa支護(hù)水壓時(shí)減小為0.001 m;支護(hù)水壓為0.58、0.65 MPa時(shí)江底地面產(chǎn)生明顯隆起,最大隆起值分別為0.007、0.010 m。由此可見,泥水平衡盾構(gòu)掌子面支護(hù)水壓可有效控制隧道開挖對(duì)周圍巖體的擾動(dòng),采用耦合模型可有效確定適宜的支護(hù)水壓,即隧洞頂部水壓力為0.50 MPa。

4 結(jié) 論

1) 開挖隧道圍巖變形同時(shí)受隧道開挖與江水滲流作用的影響,僅考慮隧道開挖作用時(shí),洞周變形集中發(fā)生在隧道周圍,洞底隆起明顯大于洞頂沉降,同時(shí)考慮江水滲流作用后,隧道江底地表也產(chǎn)生較大的水平位移,洞頂沉降顯著增大至不考慮水力耦合情況的3倍左右,洞底隆起明顯減小,約比頂部沉降小1個(gè)數(shù)量級(jí),隨著江水位增大,滲流作用對(duì)開挖隧道變形的影響更加明顯。

2) 隧道開挖引起的江底沉降隨江水位增大而增加,受水力耦合作用影響顯著。不考慮水力耦合時(shí),江底地表沉降不超過0.010 m,考慮水力耦合過程后,江底地面沉降明顯,0 m江水位時(shí)達(dá)0.036 m,12 m江水位時(shí)達(dá)0.049 m,表明實(shí)際分析中考慮水力耦合效應(yīng)非常重要。

3) 隧道開挖引起的地表沉降與水壓力響應(yīng)受巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的影響,初始微裂紋優(yōu)先水平發(fā)育會(huì)導(dǎo)致水壓力降低區(qū)域明顯增大,在距開挖隧道較遠(yuǎn)區(qū)域地表產(chǎn)生較大的沉降變形。

4) 泥水平衡盾構(gòu)掌子面支護(hù)水壓可有效控制隧道開挖對(duì)周圍巖體的擾動(dòng),隨著支護(hù)水壓增大,隧道中軸線江底地面沉降逐漸減小,但過大支護(hù)水壓會(huì)引起地面顯著隆起,適宜的支護(hù)水壓為隧洞頂部水壓力0.50 MPa。

在實(shí)際江底隧道開挖施工過程中,應(yīng)特別關(guān)注江水滲流對(duì)江底與圍巖變形的影響,宜在低江水位情況下施工,同時(shí)需保證盾構(gòu)掌子面支護(hù)水壓的合理施加,并防止因漏水等問題引起隧道圍巖產(chǎn)生過大變形,影響隧道安全穩(wěn)定。