周利梅

(重慶電訊職業(yè)學(xué)院,重慶,402247)

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，隧道工程已經(jīng)越來越普遍地運用在各種交通網(wǎng)絡(luò)中。我國是山川眾多且地質(zhì)復(fù)雜的國家，而隧道多建于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，在修建過程中難以避免地會遇到巖溶地貌區(qū)域。巖溶地質(zhì)主要是可溶性碳酸鹽類巖石經(jīng)過長時間流動水的侵蝕而形成的，當(dāng)隧道施工穿越深埋巖溶區(qū)域時，施工難度大大增加，稍有不慎會導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)坍塌或隧道涌水突泥等工程事故[1]。由于巖溶發(fā)育成因復(fù)雜，如何在施工中保證圍巖穩(wěn)定性一直是眾多學(xué)者研究的焦點[2-5]。馮源[6]利用極限分析理論對深埋隧道的失穩(wěn)模式以及巖溶區(qū)距隧道最小安全距離進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)出圍巖失穩(wěn)面的解析方程。周超月等[7-9]依托工程運用試驗與數(shù)值分析手段對深埋巖溶隧道圍巖壓力以及初期支護(hù)內(nèi)力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。蹇宜霖等[10-12]利用超前預(yù)報技術(shù)和理論分析方法對穿越高壓富水區(qū)隧道工程進(jìn)行注漿參數(shù)研究。本文依托重慶某隧道工程對巖溶隧道處于深埋高壓富水區(qū)域時圍巖開挖失穩(wěn)的影響要素展開分析，從隧道施工前后水平、豎向位移變化等多角度分析圍巖級別、隧道埋深、水位高度等因素變化對圍巖穩(wěn)定性的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，研究結(jié)果有利于依托工程的順利進(jìn)行。

1 工程概況

1.1 工程概況及支護(hù)參數(shù)

某隧道工程全長2 835 m，地質(zhì)勘測資料表明，處于K1+000～K1+920和K0+510～K1+750這2個地段的地下水豐富且?guī)r溶充分發(fā)育，其巖層主要由灰?guī)r、泥巖夾層組成，圍巖級別為Ⅳ級，且隧道最小埋置深度達(dá)140 m。這2個地段巖溶水主要位于隧道上方50 m處且富水量十分豐富，對圍巖的施工穩(wěn)定性危害極大，為隧道開挖突水發(fā)生的重點監(jiān)控地段。在巖溶發(fā)育段根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程(JTG 3370.1—2018)》設(shè)計為V級圍巖支護(hù)并利用臺階法進(jìn)行開挖。該隧道施工初期支護(hù)和二次支護(hù)實際參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)參數(shù)表

1.2 計算模型建立

在深埋高壓富水區(qū)巖溶隧道施工中，水位的高度、巖溶體的圍巖級別和水飽和狀態(tài)下的隧道埋置深度是影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素。根據(jù)工程實際，選取有代表性的橫斷面進(jìn)行分析，能夠真實反映圍巖開挖過程中受力情況。根據(jù)地勘資料，左線ZK1+120斷面所處位置巖溶充分發(fā)育，粉質(zhì)黏土夾雜軟弱破碎巖石，圍巖松散且穩(wěn)定性極差。距上方富水區(qū)域70 m，地表水與地下水已相互貫通，極易造成坍塌、突水等事故。根據(jù)此典型斷面情況建立模型：隧道埋深D=80 m，考慮到減小邊界效應(yīng)可能會對結(jié)果產(chǎn)生一定干擾，故在隧道中心兩側(cè)各取60 m以減小干擾，下取至隧道底面以下40 m處，上取至地表處。模擬隧道開挖過程每10 m為1個循環(huán)。除地表處設(shè)置為透水邊界外，其余邊界均為不透水邊界，初始水壓力P=0。該斷面設(shè)計為Ⅴ級圍巖加強支護(hù)區(qū)域，初支采用厚度為0.35 m的C25噴射混凝土，二次支護(hù)采用厚度為1 m的C25整體式混凝土結(jié)構(gòu)，具體模型網(wǎng)格劃分與圍巖力學(xué)參數(shù)見圖1和表2。

圖1 計算模型網(wǎng)格

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3 流固耦合分析

隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性受應(yīng)力場和滲流場二者共同作用影響是隧道穿越巖溶區(qū)域時的一個典型特征，具體體現(xiàn)在2個方面：一是當(dāng)裂隙巖性體中的動水產(chǎn)生滲透作用時將會改變裂隙巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)；二是裂隙巖體中應(yīng)力狀態(tài)的變化又會引起巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而改變巖體內(nèi)部的滲透性能使?jié)B流場發(fā)生變化。

1.3.1 滲流場與應(yīng)力場相互作用原理

裂隙巖體內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境的變化通過裂隙巖體內(nèi)部靜水壓力和動水壓力的綜合作用得以實現(xiàn)，依據(jù)水力學(xué)原理滲流體積力計算公式[13]為

式中：f為滲流體積力；γw為水的容重；fx,fy和fz-f分別為在x，y和z方向的分力；Jx,Jy和Jz分別為單元在x，y和z方向的水力坡降。

進(jìn)行有限元分析時滲透體積力經(jīng)過轉(zhuǎn)換為單元節(jié)點荷載參與應(yīng)力場計算，計算滲流體積力的公式為

推導(dǎo)出由滲流體積力轉(zhuǎn)換為單元節(jié)點載荷的公式為

1.3.2 流固耦合計算步驟

流固耦合數(shù)值分析步驟如下：

1)建立初始地層模型并進(jìn)行位移、應(yīng)力、滲流邊界約束，進(jìn)行迭代計算直至平衡，以模擬初始巖體受力狀態(tài)。

2)輸入滲透系數(shù)等參數(shù)開始滲流分析計算，將所得滲透體積力轉(zhuǎn)化為單元節(jié)點荷載施加到應(yīng)力分析計算中。

3)進(jìn)行隧道開挖同時設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)單元，迭代計算并達(dá)到平衡狀態(tài)。

重復(fù)步驟直至結(jié)果滿足精度要求。

2 圍巖穩(wěn)定性影響因素分析

現(xiàn)針對水位的高度、巖溶體的圍巖級別和水飽和狀態(tài)下的隧道埋置深度這3個影響因素對隧道開挖滲流場、位移場以及關(guān)鍵部位的位移變化展開分析。

2.1 隧道埋深

設(shè)隧道拱頂至仰拱的距離為隧道直徑D，現(xiàn)隧道埋深分別取為D，2D，4D和8D4種工況進(jìn)行分析。其中，隧道埋深為D和8D條件下圍巖塑性區(qū)與位移場分析見圖2，在4種工況條件下隧道周圍關(guān)鍵部位的水平與豎直位移變化規(guī)律見圖3。

圖2 工況1(左)與工況4(右)圍巖塑性區(qū)、位移場分析圖

從圖2可以看出：在隧道開挖過程中，隧道四周均開始發(fā)生塑性變形，但隨著埋置深度的增加，隧道兩側(cè)中部由先前以拉壓應(yīng)力變形為主，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐约魬?yīng)力變形為主，且塑性變形區(qū)域逐漸向外擴(kuò)展，形成閉環(huán)破壞，圍巖穩(wěn)定性不斷下降；而在隧道開挖后，在豎直方向其位移場變化云圖形似泡狀，這是由于隧道開挖后拱頂上方突然失去支撐產(chǎn)生向下沉降的趨勢而拱底由于荷載突然消失產(chǎn)生向上隆起的趨勢；隨著隧道埋深的增大，隧道拱頂與拱底的位移變化也逐漸增大，且影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，而隧道兩側(cè)位移變化相對較小。

由圖3可知：當(dāng)隧道開挖時，隧道周圍各個關(guān)鍵部位位移均隨著埋深的增加而增大；位移變化方向都是朝著隧道洞內(nèi)方向且位移變化絕對值最大發(fā)生在拱頂處，最小發(fā)生在拱腳處；但是，受埋深變化影響最大發(fā)生在拱腳處而影響最小發(fā)生在拱底處，受埋深變化影響最大的拱腳處工況1的豎向位移s=0.08 mm，而工況4的豎向位移s=0.74 mm，增大了9.25倍，而拱底處豎向位移由工況1位移s=0.53 mm到工況4位移s=1.14 mm，僅增大了2.15倍。由圖4還可得知:隧道各關(guān)鍵部位的水平與豎向位移與埋深呈線性正相關(guān)，圍巖穩(wěn)定性隨著埋深增加逐漸下降。

1—拱頂點；2—拱肩點；3—拱腰點；4—拱腳點；5—拱底點

2.2 水位高度變化

采用Ⅴ級圍巖力學(xué)參數(shù)，水位線取距離隧道拱頂以上0，10，20，40，50和80 m 6種工況進(jìn)行分析。圖4所示為工況6條件下隧道周圍滲流力、塑性區(qū)變化分析圖。在6種工況條件下，隧道周圍關(guān)鍵部位的水平與豎直位移變化規(guī)律見圖5。

圖4 工況6滲流場、塑性區(qū)分析圖

1—拱頂點；2—拱肩點；3—拱腰點；4—拱腳點；5—拱底點

由圖4可知：隧道開挖前孔隙水壓力呈水平層狀分布，隧道開挖之后掌子面周圍突然卸荷，周圍孔隙水壓力瞬間減小并向隧道內(nèi)部流動，孔隙水壓力分布圖形狀類似于漏斗狀；隨著水位線升高，隧道周圍單元均發(fā)生塑性變形且區(qū)域逐步擴(kuò)大，尤其是隧道兩側(cè)墻壁的塑性區(qū)域發(fā)展速度要比拱頂和拱底的發(fā)展速度要快，但當(dāng)?shù)叵滤桓叨葹樗淼乐睆?倍以上時，滲流力對隧道周圍穩(wěn)定性的影響變化不再明顯。

由圖5可知：當(dāng)水位高度增加時，拱頂處發(fā)生豎直向下的變形且位移變化絕對值最大，工況1的豎向位移為5.40 mm，工況6豎向位移增大至7.98 mm，增大了1.5倍；而拱底處發(fā)生豎向向上的隆起，雖位移變化絕對值不大，但受水位變化影響的程度最大，當(dāng)水位線高度由隧道拱頂以上0到80 m時，拱底處的位移變化值增大了4.75倍。由圖5還可看出：當(dāng)水位高度增加至隧道直徑6倍以上時，隧道各個關(guān)鍵部位的水平、豎向位移增大幅度明顯減小并逐步趨于穩(wěn)定，恰與塑性區(qū)分析結(jié)果顯示一致。

2.3 圍巖級別

為分析不同圍巖條件下隧道開挖對掌子面穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)取Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級圍巖4種工況處于地下水飽和狀態(tài)下進(jìn)行分析，參數(shù)采用見表2。如圖6所示，隧道圍巖級別越大，隧道四周單元塑性變形發(fā)展范圍越廣，且均呈閉合成環(huán)狀，尤其是隧道兩側(cè)腰部塑性變形要比豎直方向要大，分布范圍更廣，發(fā)展速度要比其他關(guān)鍵部位相對較快。從圖7可見:當(dāng)圍巖處于Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ級別時，隧道各關(guān)鍵部位的豎向、水平位移相對變化不大，位移增加量相對較小，但當(dāng)處于Ⅴ級圍巖狀態(tài)下時，隧道各關(guān)鍵部位豎向、水平位移突然增大，這主要是由于Ⅴ級圍巖巖體破碎，整體性差，孔隙率大，尤其有地下水的影響，因此，位移變化顯著。從圖7還可看出，隧道拱腰部位水平位移對圍巖級別的變化最為敏感，工況1條件下拱腰處水平位移僅為0.46 mm，而工況4條件下水平位移增大至11.12 mm，增大了24.17倍。圍巖豎向位移受圍巖級別影響的部位由大到小分別是拱頂處、拱肩處、拱底處、拱腰處、拱腳處。

圖6 工況1(左)與工況4(右)圍巖塑性區(qū)分析圖

1—拱頂點；2—拱肩點；3—拱腰點；4—拱腳點；5—拱底點

3 現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比分析

在隧道施工現(xiàn)場，針對左線ZK1+120斷面進(jìn)行了拱頂沉降與水平收斂情況的現(xiàn)場監(jiān)控量測。從圖8可看出，在高水壓巖溶發(fā)育地段，隧道開挖后前18 d，拱頂沉降與水平收斂變化非常顯著，位移明顯增大，待上臺階進(jìn)行支護(hù)并產(chǎn)生強度后位移變化明顯減小。當(dāng)初期支護(hù)完全閉合后拱頂與周邊位移變化趨于穩(wěn)定。最終現(xiàn)場監(jiān)控的拱頂沉降值為-25.05 mm，水平收斂值為-14.53 mm。由此可看出，及時支護(hù)仍然是穩(wěn)定周圍巖體保證安全的主要手段。

圖8 ZK1+120斷面拱頂沉降與水平收斂隨時間變化圖

表3所示為數(shù)值計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比情況，也驗證了文章中分析方法的合理性。從表3可見：考慮滲流力使分析結(jié)果更加接近現(xiàn)場實際受力情況，因此，在深埋高水壓巖溶區(qū)域必須考慮地下水對圍巖穩(wěn)定的影響。而現(xiàn)場勘測出的結(jié)果略小于文中分析結(jié)果，這可能是由于現(xiàn)場布控觀測點只能等初支結(jié)束穩(wěn)定時進(jìn)行，但前期已經(jīng)產(chǎn)生較大變形，因此，監(jiān)控不及時導(dǎo)致實測結(jié)果略小。

表3 數(shù)值計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比情況

4 結(jié)論

1)隧道埋深、地下水位高度、圍巖級別是影響圍巖穩(wěn)定的主要因素，隧道開挖后隧道周圍逐漸產(chǎn)生閉合型塑性變形且塑性區(qū)域不斷擴(kuò)大，位移場變化云圖形式泡狀，這是由于隧道開挖后拱頂上方突然失去支撐產(chǎn)生向下沉降的趨勢，而拱底由于荷載突然消失產(chǎn)生向上隆起的趨勢。

2)不同影響因素變化對隧道關(guān)鍵部位的影響程度也不同，受埋深變化影響最大處發(fā)生在拱腳部位而影響最小處發(fā)生在拱底部位；受地下水高度變化影響最大處發(fā)生在拱底部位而影響最小處發(fā)生在拱腳部位；受圍巖級別影響最大處發(fā)生在拱頂部位而影響最小處發(fā)生在拱腳部位。

3)在實際施工現(xiàn)場監(jiān)控的最終拱頂沉降值s=-25.05 mm，而水平收斂值s=-14.53 mm。文中考慮滲流力的結(jié)果更加接近監(jiān)控結(jié)果，驗證了分析方法的合理性，但現(xiàn)場實測結(jié)果略小于文中分析結(jié)果，這可能是由于監(jiān)控不及時導(dǎo)致實測結(jié)果略小。