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，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施逐漸深入，我國山區(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、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特優(yōu)勢，對保證隧道施工及運營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隧道，其右線長4 288 m，左線長4 270 m，左右洞凈距約17 m。隧址區(qū)山峰脊線高程250～806 m，相對高差約556 m；隧道洞身段最大埋深約450 m，最小埋深約90 m。均昌隧道路線穿越山心-嶺腳村谷地，為相對封閉的長條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢平坦，東西長約2 900 m，南北寬約400 m，谷地的長軸方向與隧道線位基本垂直。

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。勘察揭示山心-嶺腳村帶狀谷地范圍內(nèi)的巖體全～強(qiáng)風(fēng)化層相對較厚和風(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)的混合巖成分相對復(fù)雜有關(guān)。巖體經(jīng)長期的風(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圍巖體與外界水源的聯(lián)系順利掘進(jìn)，技術(shù)要求高，實施難度大。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，以期對隧道施工開挖提供有益的參考。

2 隧道施工過程數(shù)值模擬

通過一些有限元軟件可以有效地對隧道的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而對隧道施工過程中可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行預(yù)測，并了解相應(yīng)的圍巖位移變化情況。本文采用有限元計算軟件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大型三維有限元計算分析平臺，采用地層結(jié)構(gòu)法研究隧道左右洞開挖支護(hù)施工過程力學(xué)特征，重點研究左右洞不同施工錯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)計的實際情況，以及現(xiàn)有資料表明，地下洞室開挖后的圍巖位移，僅在洞室周圍距離洞室中心點5倍洞室開挖直徑的范圍內(nèi)存在實際影響[3]。在實際工程中，隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變實際為三維變化的。本文有限元計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)力場按自重應(yīng)力場考慮[5]，隧道襯砌四周水壓力按照靜水壓力計算。

計算模型X方向(垂直隧道軸線水平向)寬度260 m，Y向(隧道軸線方向)計算長度取為120 m，Z向(豎向)高度為200 m，共有95 640個單元，102 021個節(jié)點。計算模型如圖1所示，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 均昌隧道計算模型示意圖

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 計算工況

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

表2 計算工況表

2.3 計算結(jié)果及分析

數(shù)值計算中通過逐步移除開挖輪廓線范圍內(nèi)的巖土體模擬隧道開挖過程，開挖完成后進(jìn)行初期支護(hù)施工，同一隧道進(jìn)出口端同時開挖。整個計算過程分為初始平衡和開挖支護(hù)兩個主要階段，其中第1步為初始平衡步，獲得初始應(yīng)力場與滲流場，后續(xù)隧道分步開挖支護(hù)過程。監(jiān)測斷面位于30 m處，掌子面開挖由0 m處開始，掌子面在監(jiān)測斷面后方距離為負(fù)，經(jīng)過監(jiān)測斷面后距離為正。

2.3.1 不同工況的圍巖變形特征

圖2中給出先行開挖的左洞拱頂沉降與水平收斂變形在有無注漿圈時的對比曲線，可以看出，通過設(shè)置注漿圈能夠顯著減小施工過程中的沉降與收斂變形，其中左右洞同時開挖的工況1設(shè)置5 m帷幕注漿圈時較未設(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%，左右洞同時開挖的工況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中給出后開挖的右洞拱頂沉降與水平收斂變形在有無注漿圈時的對比曲線，與左洞類似，通過設(shè)置帷幕注漿圈，右洞開挖過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給出了有無注漿圈時地表沉降變化曲線計算分析結(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，其中左右洞同時開挖的工況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。同時可以看出，由于左洞先行貫通時間的不同，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，通過設(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 帷幕注漿對隧道掌子面涌水量影響特征

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

表3 有無注漿圈時各工況左洞進(jìn)口端掌子面涌水量表(m3/h)

由表3可以看出，通過設(shè)置5 m厚帷幕注漿圈，掌子面開挖過程中的穩(wěn)定涌水量較不設(shè)置帷幕注漿圈時顯著減小，左右洞同時開挖的工況1在不設(shè)置帷幕注漿圈時涌水量為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，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，表明通過帷幕注漿能夠有效控制隧道施工過程中洞內(nèi)滲水量，進(jìn)而大大降低隧道施工突泥涌水的風(fēng)險。

3 結(jié)語

(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，拱頂沉降隨著隧道開挖的推進(jìn)經(jīng)歷“緩慢增加-迅速增大-漸趨穩(wěn)定”的變化過程，其中以左右洞同時開挖的工況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較小，為81 mm。水平收斂變形隨著開挖推進(jìn)經(jīng)歷了緩慢“波動增加-快速增大-峰值降低后漸趨穩(wěn)定”的變化過程，其中以左右洞同時開挖的工況1開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較大，約為40 mm。主要是由于隧道基本處于自重應(yīng)力場條件，隧道開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)力場分布特征所決定。

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

(3)對比有無設(shè)置帷幕注漿圈計算分析表明，設(shè)置5 m帷幕注漿圈后，隧道施工過程中的拱頂沉降、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%。通過數(shù)值模擬可以有效反映隧道開挖施工過程中圍巖的變形及滲水情況，預(yù)測可能出現(xiàn)的危險情況，對隧道施工有一定的指導(dǎo)意義。

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[5]余 健，何 川.軟弱圍巖段隧道施工過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，2006，25(3)：623-629.