富水巖質隧道開挖穩定性分析

2020-07-07 14:05:58侯云乾朱寶強魏云龍李志軍王述紅

水利與建筑工程學報 2020年3期

侯云乾，張澤，朱寶強，王鋒，楊偉，魏云龍，李志軍，王述紅

(1.中交隧道工程局有限公司，北京 100020; 2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽 110819)

目前我國正處于基礎建設的高速發展時期，全國各個地區的隧道建設都在如火如荼的開展。隨著各地不同地區隧道的建設，工程中會受到地形條件限制以及遇到各種復雜的地質情況[1]。大斷面小凈距隧道耦合富水軟弱圍巖的地質條件[2]，會引起圍巖穩定性差、左右側隧道開挖和中間巖體相互影響，易引發突水、突泥、塌方、大變形等災害，這是復雜的圍巖應力場與滲流場耦合作用問題。在2004年我國首次定義了公路隧道中的小凈距隧道：規定中間巖柱厚度小于1.5倍隧道開挖寬度的分離式獨立雙洞隧道[3]。與分離式隧道相比，小凈距隧道克服了隧道在展線以及洞外接線的問題；與聯拱隧道相比，其造價更低，施工更簡單并且容易控制施工質量。由于小凈距隧道兩平行雙洞間距離較小，先行洞與后行洞的開挖勢必會對中巖柱造成多次擾動，而中夾巖作為小凈距隧道穩定性最重要的部位勢必會對整個隧道的安全性產生重要的影響[4-6]。對于下穿富水圍巖隧道的穩定性問題，國內外學者進行了大量研究并取得了一些成果，然而對于小凈距隧道穿越富水圍巖的穩定性研究卻很少[7]。張雨凡等[8]小凈距隧道的滯后距離進行了研究，采用ANSYS進行模擬計算，但其只對豎向位移和承受荷載進行了分析，并沒有考慮中夾巖處的水平位移。王曉杰等[9]和Shi[10]以青島地鐵2號線下穿地鐵1號線的工程為背景，對小凈距立體交叉隧道進行流固耦合數值模擬與試驗相結合的方法進行研究，結果表明開挖是隧道變形增大的主要原因，但是沒有對中間部分的位移進行研究。Chapman等[11]通過室內試驗對土中臨近隧道的施工過程進行研究，并獲得兩條隧道相互擾動的蠕變效應。

本文以重慶在建花陽隧道為背景，基于流固耦合理論和小凈距隧道開挖理論，針對富水區域小凈距隧道開挖后的力學行為進行分析。

1 有效應力原理和滲流本構關系

1.1 有效應力原理

(1)

比奧系數可以根據Geertsma提出的下式求得：

(2)

式中：E是巖石的體積模量,GPa；Es是巖石固體顆粒的基質體積模量,GPa。在兩個不同的實驗中測量巖石的體積模量和巖石的基質體積模量。在第一個實驗中，通過將孔隙壓力設為零來獲得E；在第二實驗中，Es是通過將孔隙壓力和圍壓設定為相等而獲得的。

通常Es>E，Hashin認為材料在微觀和宏觀上都是各向異性，從而獲得下式：

(3)

因此可以推出新的應力應變關系：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

1.2 流固耦合控制方程

本構方程包括平衡方程，力學行為和根據Biot概念的有效應力定律以及結合了達西定律和流體質量守恒的流體擴散方程表示。

1856年，亨利·達西(Henry Darcy)研究了與噴泉有關的垂直均質砂濾器中水的流動情況。從他的實驗研究中，定義了流量q與恒定橫截面積A和液壓頭差(h1-h2)成正比，與兩個液壓頭L的距離成反比為：

(10)

其中K是水力傳導率。水力傳導率通常在水文地質學中使用[6]，是衡量特定流體通過特定土壤材料的難易程度的一種度量。此外，式(11)給出了滲透率和水力傳導率的關系：

(11)

(12)

式中：ρf是流體密度,kg/m3；g為重力加速度,m/s2;μ為液體黏度系數,N·s/m2；k為固體基質滲透率;p1-p2為水頭壓力差。

將式(11)、式(12)帶入式(10)可得：

(13)

通過滲流和存儲函數計算可得巖體的滲流場方程：

(14)

在式(14)中，存儲方程式為：

(15)

(16)

式中：Qm為質量源項；ε為體積應變；Ef為流體體積模量,GPa。

重力平衡方程公式為：

▽σ=ρg=(ρfφ+ρd)g

(17)

有效應力-應變關系：

(18)

有效應力：

(19)

式中：σ0為初始有效應力,kPa；p和p0分別為孔隙水壓力和初始孔隙水壓力,kPa。

1.3 開挖后流體變化

在連續開挖過程中，通常原位應力發生變化并在開挖區域周圍分布，這種現象會影響孔隙水流動狀況的變化。特別是在發掘破壞區和開挖擾動區受開挖過程中巖體分布應力破壞的影響。

開挖后滲透率變為應變的函數，如式(20)所示：

k=kie7000εd

(20)

(21)

應變εd和固有滲透率ki與開挖后測量新滲透率有關。也就是說，開挖擾動區的新滲透率是體積應變和塑性應變的函,如式(22)所示：

kex=ki×e(200εv+350εp)

(22)

式中：kex為開挖擾動區滲透率；ki為原位滲透率；εv為開挖后巖體體積應變；εp為開挖后巖體塑性應變。

2 模型建立

2.1 工程概況

花陽隧道為重慶三環高速公路合川至長壽某標段，位于重慶市渝中區木耳鎮金剛村。為雙向四車道高速公路，設計速度為80 km/h，隧道寬10.25 m，高5 m，設計荷載為公路-Ⅰ級。本文研究的小凈距富水段位置為K41+065—K41+14段。區段屬構造侵蝕丘陵地貌區，隧道大體沿垂直構造線方向布置，與巖層走向呈大角度相交。分布地層巖性為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)強風化泥巖、中風化泥巖及中風化砂巖泥巖、砂巖等，分布不均勻，部分地段基巖出露[12-14]，各地層巖性特征如表1所示。節理裂隙發育，巖體破碎，涌流狀出水。依據《公路隧道設計規范》(JTGD 70—2004)第3.6.3-3.6.5條規定的質量指標BQ值判斷法，計算此區段圍巖等級為V級。

表1 隧道下穿巖層分布

2.2 花陽隧道耦合計算模型

本文采用COMSOL Multyphysics數值模擬軟件對流固耦合狀態下隧道開挖過程進行模擬計算[15]。根據隧道設計，富水小凈距段間距為6 m，埋深30 m，富水段長度為30 m，隧址合川端洞口附近發育陡崖，巖性主要為泥巖與砂巖不等厚互層，由于巖質軟硬不同，風化差異，形成凹凸不平的陡崖斷面，凸出的巖石由于陡傾節理裂隙發育，富水段位置由于崩塌、落石的物質來源比較豐富，危巖體發育，在流固耦合等不利作用下易產生崩塌，對隧道施工及運營安全有一定影響。為研究隧道開挖過程中圍巖穩定性，數值模擬中富水段設置為具有孔隙水壓力，模擬工況如表2所示。

表2 工況設置

根據隧道設計以及隧道地質建立隧道幾何模型，如圖1所示。圍巖參數采用現場勘測數據并結合隧道設計規范進行選取，如表3所示。

圖1 模型幾何圖

3 計算結果分析

3.1 未開挖時地應力分布

通常，當覆蓋層應力隨著深度的增加而增加時，隨著開挖，原地應力會重新分布，應力會集中在隧道軸線周圍。應力分布的主要作用是由開挖的幾何形狀、巖石材料的性質和類型、含水率、巖石破裂和斷層的存在等引起的。垂直應力分布主要由重力效應影響，即深度的增加會增加原地應力，但是當存在孔隙水壓力時，有效應力會在應力分布中起主要作用。

表3 模型計算物理參數

根據圖2、圖3可知，原位應力是指施加的重力載荷，其比重與深度相對應，并且與孔隙壓力分布有直接關系。應力分布必須在開始任何研究之前仔細研究，并作為開挖穩定和安全的條件。

圖2為巖體未開挖時三維垂直應力分布圖，從圖2可知，巖體的底部存在最大垂直應力。有水壓力和無水壓力對比結果可知，考慮水壓力時根據公式(1)有效應力原理可知，有效應力會在應力分布中起主要作用。

圖3是地應力分布的z-x斷面圖(y= 30 m)，由圖3可知隨著邊巖體深度的增加，應力也以類似的方式增加。此外，在富水的截面處，在隧道軸線上的應力大于其他位置，因此，可以肯定的是，水壓成為增加原位應力的附加載荷。

圖2 開挖前原地應力分布

3.2 水壓力對穩定性影響

為了測量由于水壓變化而對穩定性產生的影響，選取工況2、工況3、工況4進行對比分析。

圖3 地應力分布z-x斷面圖

3.2.1 開挖后垂直應力分布

垂直應力是在開挖的側壁上測量的，因為該區域具有最大的壓應力，因此選取點(110，30，-27)為研究對象，計算獲得不同工況下的開挖后垂直應力分布規律。以下是不同情況下的觀察圖。

根據圖4不同水壓力下垂直應力變化可知，應力曲線在工況2、工況3、工況4下隨水壓的輕微變化而變化。開挖前后的變化范圍幾乎是恒定的，但是在距離富水段10 m的測量范圍內，測量點應力的出現急劇增加，在富水段垂直應力增加了50%，開挖進一步增加時，應力曲線會波動，但在測量點后面10 m處幾乎恒定。發現每條曲線的最大垂直壓力約為3.3 MPa，因此可在富水段開挖會現應力突變，從而增大開挖失穩風險。

由于開挖前后的孔隙水壓力增加，根據有效應力原理應力水平會略有下降。孔隙水壓力越大在通過富水段時垂直應力變化越小，水壓為4 MPa時模型曲線的垂直應力最小。

圖4 開挖后不同水壓力下垂直應力

3.2.2 孔隙水壓力變化

根據圖5開挖后不同工況下孔隙水壓力分布，可以看出在不同開挖長度不同水壓條件下的孔隙壓力分布。曲線分布規律基本保持一致，但分布值卻有所不同。水壓最大的工況4的分布曲線具有最大的初始值，水壓最小的工況2的分布曲線具有的最小初始值。開挖前的曲線是非線性的，并向測量點逐漸減小，與該點上的開挖平行。但從圖中可以看出，水壓力越大時開挖距離富水段越遠越先進入突變區。水壓力在4 MPa時，在距離富水段30 m時開始發生突變，而1 MPa時，在距離富水段10 m開始發生突變。

圖5 開挖后不同工況下孔隙水壓力分布

圖6是不同開挖長度的孔隙水壓力z-x斷面(y=30 m)，從未開挖到開挖50 m、100 m、150 m的動態變化云圖。隨著隧道不斷開挖孔隙水壓力逐漸變小，當開挖到富水段時，可以看到孔隙水壓力發生突變，由最初的4 MPa直接變到了0.1 MPa，這對于隧道開挖的整體穩定性會產生影響，需要考慮進行支護來提高工程的穩定性。

圖6 開挖后孔隙水壓力動態變化情況

3.2.3 位移變化

圖7中給出幫部、頂部和底部的位移測量點位置，A為幫部位移測量點，B為頂部位移測量點，C為底部位移測量點。

圖7 位移測量點示意圖

根據圖8可知在不同的開挖長度中觀察到由于開挖導致孔隙水壓力變化而引起的應力重分布可以發現，直到在測量點之前10 m～15 m為止，開挖前的位移幾乎等于零，此后位移急劇增加，經過測量點后短時間內穩定了位移，并再次繼續急劇增加。開挖到距離富水區約20 m時，位移開始發生突變。隨著水壓力的增加最大位移呈下降趨勢，1 MPa時的最大幫部位移為10 mm而4 MPa時為8 mm。

為了測量由于孔隙水壓力條件變化而引起的垂直位移，從圖9可看出，頂部的垂直位移遠大于底部的位移。隨著隧道開挖，頂部和底部的位移呈現S型曲線變化。無論是頂部還是底部在距離富水段10 m時位移發生突變，富水段出現最大位移，最大位移可達30 mm。同時在底部位移中前期開挖非富水段出現隆起。同時，發現由于孔隙水壓力的變化，開挖后的變形不同于開挖前的變形，通過比較研究發現，孔隙水壓力影響較小的工況2在頂部變形最小，而在底部變形最大。