富水軟弱圍巖隧道工程施工方案分析

周小生

(廣西信達(dá)高速公路有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施逐漸深入，我國(guó)山區(qū)公路高速發(fā)展，山區(qū)隧道工程發(fā)展迅猛。大量隧道工程建設(shè)在群山交錯(cuò)、峰巒疊嶂、地質(zhì)及水文條件復(fù)雜多變的多山地區(qū)，經(jīng)常遇到各種地質(zhì)災(zāi)害。其中隧道突泥涌水就是對(duì)隧道工程建設(shè)影響較大的地質(zhì)災(zāi)害之一，處治不當(dāng)易引發(fā)洞內(nèi)坍塌、地表沉降、地下水流失等次生災(zāi)害，給公路隧道工程的建設(shè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，社會(huì)影響較大[1]。帷幕注漿技術(shù)是地下工程施工中常采用的輔助工法之一，在處理富水軟弱地層方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)保證隧道施工及運(yùn)營(yíng)期的安全起到了重要作用[2]。本文依托在建岑溪至水汶高速公路均昌隧道，采用數(shù)值模擬的方法，研究分析不同工況條件下帷幕注漿技術(shù)在富水軟弱地層隧道工程施工中的作用，以期找到一種安全快速處治富水軟弱地層的隧道施工方案，為今后類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

岑溪至水汶高速公路是包頭至茂名高速公路的重要路段，在建岑溪至水汶高速公路均昌隧道為小間距特長(zhǎng)隧道，其右線(xiàn)長(zhǎng)4 288 m，左線(xiàn)長(zhǎng)4 270 m，左右洞凈距約17 m。隧址區(qū)山峰脊線(xiàn)高程250～806 m，相對(duì)高差約556 m；隧道洞身段最大埋深約450 m，最小埋深約90 m。均昌隧道路線(xiàn)穿越山心-嶺腳村谷地，為相對(duì)封閉的長(zhǎng)條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢(shì)平坦，東西長(zhǎng)約2 900 m，南北寬約400 m，谷地的長(zhǎng)軸方向與隧道線(xiàn)位基本垂直。

隧址區(qū)位于由福慶向斜、白石垌向斜、塘垌向斜構(gòu)成的加里東期褶皺群與燕山期水汶向斜之間，容縣至岑溪斷層及大隆至水汶斷層分別從隧道兩端的北東、南東向通過(guò)?？辈旖沂旧叫?嶺腳村帶狀谷地范圍內(nèi)的巖體全～強(qiáng)風(fēng)化層相對(duì)較厚和風(fēng)化強(qiáng)烈，推斷除與多期次的侵入巖體和地質(zhì)構(gòu)造的作用有關(guān)外，還與谷地范圍內(nèi)的混合巖成分相對(duì)復(fù)雜有關(guān)。巖體經(jīng)長(zhǎng)期的風(fēng)化、剝蝕和溶蝕作用形成了目前的谷地現(xiàn)狀。

均昌隧道目前尚未貫通段位于岑溪市岑城鎮(zhèn)山心村、嶺腳村下方。隧道未貫通段地表谷地分布有大量房屋，該谷地匯水面積較大，并且有大量的地表水和地下水補(bǔ)給源，地下含水層厚度大，含水層連通性及富水性好。附近居民生活及生產(chǎn)用水均采自地下，在保證地表穩(wěn)定和居民生產(chǎn)及生活用水的情況下，隧道施工要切斷隧道洞身周?chē)鷰r體與外界水源的聯(lián)系順利掘進(jìn)，技術(shù)要求高，實(shí)施難度大。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究左右洞不同施工工況條件下洞周收斂變形、地表沉降、地下水滲流等響應(yīng)規(guī)律，以期對(duì)隧道施工開(kāi)挖提供有益的參考。

2 隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬

通過(guò)一些有限元軟件可以有效地對(duì)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而對(duì)隧道施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并了解相應(yīng)的圍巖位移變化情況。本文采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行不同工況下的隧道施工變形及圍巖滲水情況分析，進(jìn)而分析帷幕注漿在處治富水軟弱地層隧道工程復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的有益作用。

2.1 模型的建立

ABAQUS是功能全面的有限元數(shù)值模擬軟件。依托ABAQUS大型三維有限元計(jì)算分析平臺(tái)，采用地層結(jié)構(gòu)法研究隧道左右洞開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程力學(xué)特征，重點(diǎn)研究左右洞不同施工錯(cuò)距條件下洞周收斂變形、結(jié)構(gòu)受力、圍巖損傷破壞區(qū)及地表沉降等響應(yīng)規(guī)律。

根據(jù)該隧道工程地質(zhì)勘察和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，以及現(xiàn)有資料表明，地下洞室開(kāi)挖后的圍巖位移，僅在洞室周?chē)嚯x洞室中心點(diǎn)5倍洞室開(kāi)挖直徑的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響[3]。在實(shí)際工程中，隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變實(shí)際為三維變化的。本文有限元計(jì)算分析采用滲流耦合三維數(shù)值模型；隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Drucker-Prager模型的屈服準(zhǔn)則[3][4]；圍巖、帷幕加固圈、初次襯砌、二次襯砌均采用實(shí)體單元；模型的邊界條件除上部為自由邊界外，兩邊側(cè)面和底面為法向約束邊界；隧道應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮[5]，隧道襯砌四周水壓力按照靜水壓力計(jì)算。

計(jì)算模型X方向(垂直隧道軸線(xiàn)水平向)寬度260 m，Y向(隧道軸線(xiàn)方向)計(jì)算長(zhǎng)度取為120 m，Z向(豎向)高度為200 m，共有95 640個(gè)單元，102 021個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖1所示，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 均昌隧道計(jì)算模型示意圖

地層天然密度/(kg/m3)彈性模量/(MPa)泊松比含水率(%)孔隙率(n)滲透系數(shù)/(m/s)沖洪積層1 8501000.38320.455×10-6全強(qiáng)風(fēng)化1 9502000.36300.438×10-6微風(fēng)化2 1001 3000.3250.31×10-7注漿加固區(qū)2 0301 0000.35270.365×10-7

2.2 計(jì)算工況

為全面研究均昌隧道左右洞開(kāi)挖掌子面不同錯(cuò)距條件下隧道貫通時(shí)的受力變形規(guī)律，開(kāi)展了左右洞同時(shí)開(kāi)挖、左洞超前右洞10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，及左洞貫通后再開(kāi)挖右洞等7種不同計(jì)算工況。同時(shí)，對(duì)比研究了5 m厚帷幕注漿圈和不設(shè)帷幕注漿方案。計(jì)算工況情況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況表

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算中通過(guò)逐步移除開(kāi)挖輪廓線(xiàn)范圍內(nèi)的巖土體模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程，開(kāi)挖完成后進(jìn)行初期支護(hù)施工，同一隧道進(jìn)出口端同時(shí)開(kāi)挖。整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為初始平衡和開(kāi)挖支護(hù)兩個(gè)主要階段，其中第1步為初始平衡步，獲得初始應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)，后續(xù)隧道分步開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程。監(jiān)測(cè)斷面位于30 m處，掌子面開(kāi)挖由0 m處開(kāi)始，掌子面在監(jiān)測(cè)斷面后方距離為負(fù)，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后距離為正。

2.3.1 不同工況的圍巖變形特征

圖2中給出先行開(kāi)挖的左洞拱頂沉降與水平收斂變形在有無(wú)注漿圈時(shí)的對(duì)比曲線(xiàn)，可以看出，通過(guò)設(shè)置注漿圈能夠顯著減小施工過(guò)程中的沉降與收斂變形，其中左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況1設(shè)置5 m帷幕注漿圈時(shí)較未設(shè)置帷幕注漿圈，其最大拱頂沉降值由97.5 mm減小至69.8 mm，減小約28%；而左洞超前右洞30 m的工況4在設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈后的最大拱頂沉降值也由90.6 mm減小至65.7 mm，減小約27%，左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況7在設(shè)置帷幕注漿圈后最大沉降值減小約24%。而水平收斂變形計(jì)算結(jié)果也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，三種工況在設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈后最大水平收斂變形值減小約30%。

(a)拱頂沉降

(b)水平收斂

圖3中給出后開(kāi)挖的右洞拱頂沉降與水平收斂變形在有無(wú)注漿圈時(shí)的對(duì)比曲線(xiàn)，與左洞類(lèi)似，通過(guò)設(shè)置帷幕注漿圈，右洞開(kāi)挖過(guò)程中的拱頂沉降與水平收斂變形也出現(xiàn)明顯減小，其中最大拱頂沉降值減小約30%，而收斂變形值減小約20%。

(a)拱頂沉降

(b)水平收斂

2.3.2 不同工況地表變形特征

圖4給出了有無(wú)注漿圈時(shí)地表沉降變化曲線(xiàn)計(jì)算分析結(jié)果，由圖4(a)可以看出，設(shè)置5 m帷幕注漿圈條件下左洞開(kāi)挖貫通所引起的地表沉降明顯小于未設(shè)置帷幕注漿條件，其中左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況1引起的地表沉降變形最大，在未設(shè)置帷幕注漿和設(shè)置5 m帷幕注漿圈時(shí)的最大沉降值分別為66 mm和25 mm；左洞超前右洞30 m的工況4次之；左洞先行貫通的工況7所引起的最大地表沉降變形分別為38 mm和13 mm。同時(shí)可以看出，由于左洞先行貫通時(shí)間的不同，地表沉降漏斗中心位置也有所不同。圖4(b)中給出了左右洞均貫通后的地表沉降曲線(xiàn)，通過(guò)設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈地表沉降變形較未設(shè)置帷幕注漿圈時(shí)顯著減小，最大地表沉降減小約60%。

(a)左洞貫通

(b)左右洞均貫通

2.3.3 帷幕注漿對(duì)隧道掌子面涌水量影響特征

通過(guò)對(duì)均昌隧道施工過(guò)程開(kāi)展應(yīng)力滲流耦合三維有限元分析，得到隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞內(nèi)穩(wěn)定滲涌水量的變化規(guī)律，如表3所示。

表3 有無(wú)注漿圈時(shí)各工況左洞進(jìn)口端掌子面涌水量表(m3/h)

由表3可以看出，通過(guò)設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈，掌子面開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定涌水量較不設(shè)置帷幕注漿圈時(shí)顯著減小，左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況1在不設(shè)置帷幕注漿圈時(shí)涌水量為103.3 m3/h，而隨著左洞超前右洞距離的增加，左洞進(jìn)口端掌子面涌水量也相應(yīng)增加，當(dāng)左洞超前右洞30 m以上時(shí)，掌子面涌水量基本不再變化。相應(yīng)于設(shè)置5 m帷幕注漿圈的情況，各工況掌子面涌水量銳減至2.8 m3/h，減小幅度可達(dá)97%，且與左洞超前距離關(guān)系不明顯，表明通過(guò)帷幕注漿能夠有效控制隧道施工過(guò)程中洞內(nèi)滲水量，進(jìn)而大大降低隧道施工突泥涌水的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在不設(shè)置帷幕注漿圈或帷幕注漿質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時(shí)，拱頂沉降隨著隧道開(kāi)挖的推進(jìn)經(jīng)歷“緩慢增加-迅速增大-漸趨穩(wěn)定”的變化過(guò)程，其中以左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況1所引起的拱頂沉降值最大，為83 mm；而以左洞先貫通的工況7所引起的拱頂沉降值則相對(duì)較小，為81 mm。水平收斂變形隨著開(kāi)挖推進(jìn)經(jīng)歷了緩慢“波動(dòng)增加-快速增大-峰值降低后漸趨穩(wěn)定”的變化過(guò)程，其中以左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況1開(kāi)挖引起的水平收斂變形值最小，為33 mm；而左洞先貫通的工況7所引起的水平收斂變形值則相對(duì)較大，約為40 mm。主要是由于隧道基本處于自重應(yīng)力場(chǎng)條件，隧道開(kāi)挖后在拱頂處為受拉區(qū)，而兩拱腰位置為受壓區(qū)的二次應(yīng)力場(chǎng)分布特征所決定。

(2)設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈時(shí)，隧道拱頂沉降與水平收斂變形隨開(kāi)挖過(guò)程同樣經(jīng)歷了“緩慢增加-迅速增大-漸趨穩(wěn)定”的變化過(guò)程，隧道開(kāi)挖掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面10 m以外時(shí)，引起監(jiān)測(cè)斷面處的變形值相對(duì)較小，掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面10 m以?xún)?nèi)時(shí)，拱頂沉降與水平收斂變形均顯著增加，仍以左右洞同時(shí)開(kāi)挖的工況1所引起的拱頂沉降變形最大，為69 mm。

(3)對(duì)比有無(wú)設(shè)置帷幕注漿圈計(jì)算分析表明，設(shè)置5 m帷幕注漿圈后，隧道施工過(guò)程中的拱頂沉降、水平收斂及地表沉降將顯著減小，其中，拱頂沉降約減小25%，水平收斂減小約30%，地表沉降減小達(dá)60%，掌子面滲水量減小幅度可達(dá)97%。通過(guò)數(shù)值模擬可以有效反映隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中圍巖的變形及滲水情況，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，對(duì)隧道施工有一定的指導(dǎo)意義。

[1]劉 建，劉 丹.基于SVM的隧道涌水來(lái)源識(shí)別[J].北京：水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，2012，39(5)：26-30.

[2]張民慶，張 亮，何志軍，等太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2015(1)：104-109.

[3]徐干成，白洪才，鄭穎人.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

[4]周順華.開(kāi)挖理論[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

[5]余 健，何 川.軟弱圍巖段隧道施工過(guò)程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3)：623-629.