汪 磊,李 濤,王全勝
(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城軌學(xué)院,上海 201620;2.北京交通大學(xué)土建學(xué)院,北京 100044;3.中鐵隧道科研所,河南洛陽 471009)
注漿技術(shù)自從發(fā)明以來,已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于封堵涌水和改良地層,在基礎(chǔ)建設(shè)的各個(gè)方面起到了良好的作用。而在海底隧道的修建中,由于環(huán)境的特殊性,裂隙巖體和無限量的海水補(bǔ)給使得隧道的安全施工更加特殊,隧道突涌水破壞或圍巖失穩(wěn)都會(huì)帶來不可挽回的后果,因此,對(duì)于不良地質(zhì)段隧道的施工往往采用預(yù)注漿對(duì)圍巖進(jìn)行超前加固,但目前預(yù)注漿效果檢查技術(shù)很不規(guī)范,尚無完善的標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒,繼而導(dǎo)致了一些注漿工作完成后無法正確評(píng)價(jià),從而影響了注漿工程取得良好的效果。本文以青島膠州灣海底隧道斷層F4-4第一循環(huán)預(yù)注漿為背景,針對(duì)海底不良地質(zhì)段隧道預(yù)注漿效果進(jìn)行研究。利用理論公式法、數(shù)值法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)涌水量進(jìn)行計(jì)算和測(cè)定,比較它們之間的關(guān)系,分析其中的規(guī)律,得出海底隧道的實(shí)際注漿效果。
青島膠州灣海底隧道是我國大陸第二條海底隧道,隧道南接黃島區(qū)的薛家島,北連青島團(tuán)島,下穿膠州灣灣口海域,隧道全長(zhǎng)6 170 m,其中海域段長(zhǎng)3 950 m。隧道采用雙向雙洞六車道,中間設(shè)服務(wù)隧道,隧道主要采用鉆爆法施工。根據(jù)前期工程地質(zhì)勘探的結(jié)果,隧道海域段基巖受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較嚴(yán)重,破碎巖體及抗風(fēng)化能力較低的輝綠巖脈較發(fā)育,對(duì)水敏感的Ⅳ~Ⅴ級(jí)圍巖所占比例較大,其中,隧道主洞II~I(xiàn)II級(jí)圍巖約占55.7%,IV級(jí)圍巖約占38.1%,V級(jí)圍巖約占6.2%。隧道頂部25 m內(nèi)巖體中的地下水活動(dòng)痕跡普遍較明顯,隧道開挖時(shí)的爆破震動(dòng)和圍巖松弛都可能使其透水性加劇,埋深不足25 m的海域段占了相當(dāng)大的比例。
2.1.1 理論計(jì)算地質(zhì)模型
斷層F4-4位于隧道YK6+915~YK6+961段,長(zhǎng)46 m,高潮時(shí)水深27~30 m;海床呈緩坡狀。海底覆蓋層較薄,一般為2~3 m,主要為砂礫,局部沉積有淤泥。隧道拱頂覆蓋層24~26 m?;鶐r以含晶屑火山角礫凝灰?guī)r為主,局部夾凝灰?guī)r、并有較多輝綠巖脈、石英正長(zhǎng)巖脈侵入。斷層F4-4為北西向破碎帶,帶內(nèi)巖體為碎裂—鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),裂隙以密閉型為主,少數(shù)為微張型,裂隙面浸染跡象不甚明顯;圍巖在松弛變形時(shí)抗?jié)B性能易惡化,還可能發(fā)生滲透變形破壞。注漿施工地段為斷層F4-4,相對(duì)位置如圖1所示。
考察相關(guān)地質(zhì)資料,斷層F4-4為弱風(fēng)化巖體受風(fēng)化裂隙影響,具有弱~中等透水性,綜合滲透等級(jí)為中等透水。具體各層滲透系數(shù)見表1。
表1 海域巖土體滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)綜合成果
圖1 斷層F4-4相對(duì)位置示意
為了使所研究的海域段隧道穿越斷層F4-4更具有指導(dǎo)意義,具體計(jì)算位置為斷層F4-4的兩端和中間,即為YK6+915、YK6+938和YK6+961。
2.1.2 理論計(jì)算概化模型
根據(jù)地質(zhì)模型,建立涌水量的理論計(jì)算模型。如圖2所示。當(dāng)隧道圍巖含有兩種以上的含水層介質(zhì)時(shí),其滲透系數(shù)按下式進(jìn)行等效化處理
(1)
式中,n、Mi、Ki分別為滲透性分層的數(shù)目、第i層的厚度和滲透系數(shù)。圖2中H為含水層中原始靜水位至隧道等價(jià)圓中心的距離,m;H0為含水體厚度,m;r為隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑,m;d為隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑,m。
圖2 涌水量計(jì)算概化模型示意
2.1.3 理論計(jì)算公式及結(jié)果
海底隧道位于半無限含水層中,地下水直接接受海水的定水頭入滲補(bǔ)給,施工前期的最大涌水量與施工中的經(jīng)常涌水量基本一致。其最大涌水量的計(jì)算公式如下。
(1)大島志洋公式(模型1)
(2)
式中,q0為單位長(zhǎng)度可能最大涌水量,m3/d·m;K為巖層滲透系數(shù);H為含水層中原始靜水位至隧道等價(jià)圓中心的距離,m;r為隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑,m;d為隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑,m;m為轉(zhuǎn)換系數(shù),一般取0.86。
(2)鐵路規(guī)范古德曼經(jīng)驗(yàn)式(模型1)
(3)
式中,q0為單位長(zhǎng)度最大涌水量,m3/d·m;K為滲透系數(shù),m/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離,m;d為隧道洞身橫斷面等價(jià)圓直徑,m。
(3)鐵路規(guī)范經(jīng)驗(yàn)式(模型2)
q0=0.025 5+1.922 4K·H
(4)
式中,q0為單位最大涌水量,m3/d·m;K為滲透系數(shù),m/d;H為含水體厚度,m。
(4)注漿后涌水量計(jì)算公式
(5)
式中,Q為單位最大涌水量,m3/d·m;Ki為注漿區(qū)域滲透系數(shù),m/d;K為巖體滲透系數(shù),m/d;h為含水層中原始靜水位至隧道等價(jià)圓中心的距離,m;R為隧道等效半徑,m;t為注漿加固圈厚,m。
利用如上4個(gè)公式計(jì)算結(jié)果分別如表2~表5所示。
表2 海域隧道(右洞)涌水量計(jì)算(大島洋志公式)
表3 海域隧道(右洞)涌水量計(jì)算(鐵路規(guī)范古德曼經(jīng)驗(yàn)式)
表4 海域隧道(右洞)涌水量計(jì)算(鐵路規(guī)范經(jīng)驗(yàn)式)
表5 海域隧道(右洞)涌水量計(jì)算(注漿后)
表6 海域隧道(右洞)最大涌水量對(duì)比 m3/d·m
分析表6,在斷層F4-4地段隧道右洞沿線的涌水量計(jì)算時(shí)用不同的公式計(jì)算所得結(jié)果有所不同,用大島洋志公式計(jì)算的涌水量最小,鐵路規(guī)范古德曼經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算的涌水量最大,鐵路規(guī)范經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算的涌水量居中。不過總的來說,三者結(jié)果相差不大,斷面YK6+915涌水量大約為9.47 m3/d·m;斷面YK6+938涌水量大約為15.82 m3/d·m;斷面YK6+961涌水量大約為8.77 m3/d·m。
根據(jù)注漿后試驗(yàn)測(cè)得,注漿體的滲透系數(shù)大約為1.0×10-5cm/s,利用公式(5)可得注漿后的涌水量結(jié)果如表5所示,并將其與注漿前的涌水量進(jìn)行比較可知,通過注漿后隧道涌水量明顯降低,由于在過同一個(gè)斷層F4-4的時(shí)候使用的是同樣的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),所以注漿結(jié)束后注漿體的滲透系數(shù)相似,進(jìn)而注漿后各個(gè)斷面上的涌水量也相近。
2.2.1 數(shù)值計(jì)算概化模型
為了與理論公式及經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,數(shù)值法計(jì)算仍取在斷層F4-4范圍即隧道YK6+915~YK6+961段內(nèi)的兩端和中間的3個(gè)斷面進(jìn)行模擬計(jì)算。具體位置分別為YK6+915、YK6+938和YK6+961,其中在斷面YK6+915和斷面YK6+961計(jì)算的涌水量代表斷層兩頭處隧道內(nèi)的涌水量情況,而在斷面YK6+938所計(jì)算的涌水量代表斷層中間處的涌水量情況。另外,不考慮雙洞滲流效應(yīng),僅考慮右線隧道斷面內(nèi)的涌水量情況。計(jì)算剖面1見圖3(其他2個(gè)剖面類似),其中水平向取200 m,豎向取100 m(不包括海水部分)。
圖3 剖面1(YK6+915)(單位:m)
YK6+915、YK6+938和YK6+961 3個(gè)剖面均為海域剖面,左右兩側(cè)及頂部均有水源補(bǔ)給,而且認(rèn)為所選計(jì)算范圍足夠大,因此可以視為定水頭邊界,水頭值等于海平面所對(duì)應(yīng)的位置高程(即水頭),為承壓滲流場(chǎng)。另外,由于隧道處巖體的滲透性較差,地下水以滲出的形式涌出,因此隧道內(nèi)側(cè)可作為第一類邊界(自由滲出面)加以模擬;隧道底部邊界以下地下水呈水平滲流狀態(tài),對(duì)隧道涌水量影響較小,視為第二類邊界條件(零流量邊界)。
2.2.2 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)
單位厚度的隧道涌水量理論計(jì)算公式如下
(6)
式中,L為隧道周邊輪廓;n為隧道壁法線方向;其他參數(shù)意義同前。
實(shí)際計(jì)算中,作如下簡(jiǎn)化:用隧道壁4個(gè)特征點(diǎn)(頂點(diǎn)、左側(cè)點(diǎn)、底點(diǎn)、右側(cè)點(diǎn))(圖4)位置處的單寬流量的平均值代表整個(gè)隧道壁的單寬流量Q0,Q0與隧道周長(zhǎng)L的乘積即為單位厚度隧道涌水量。
圖4 隧道涌水量計(jì)算點(diǎn)示意
2.2.3 數(shù)值計(jì)算分析
為了分析考慮隧道穿越F4-4斷層時(shí)預(yù)注漿加固前后涌水量的比較,考慮了3種工況進(jìn)行分析:
(1)無預(yù)注漿加固時(shí),考慮滲流場(chǎng)作用下隧道涌水量的計(jì)算;
(2)采用不同的預(yù)注漿加固圈厚度(分別取3、4、5、6、7 m和8 m)時(shí),考慮滲流場(chǎng)作用下隧道涌水量的計(jì)算,其中設(shè)圍巖滲透系數(shù)Kr與注漿圈滲透系數(shù)Kg,令Kr/Kg=2、Kr/Kg=5和Kr/Kg=10;
(3)采用設(shè)計(jì)注漿加固圈厚度為5 m,令Kr/Kg=2、Kr/Kg=3、Kr/Kg=4、Kr/Kg=5、Kr/Kg=6、Kr/Kg=7、Kr/Kg=8、Kr/Kg=9和Kr/Kg=10時(shí),考慮滲流場(chǎng)作用下隧道涌水量的計(jì)算。
膠州灣海底隧道預(yù)注漿加固圈的設(shè)計(jì)厚度為5 m,但對(duì)于不同的注漿剖面所取得的注漿效果也不同,主要由于所注圍巖的地質(zhì)特征不同,進(jìn)而表現(xiàn)為隧道開挖時(shí)的涌水量不同。如圖5為當(dāng)注漿加固圈厚度為5 m時(shí),采用不同的注漿圈滲透系數(shù)可以計(jì)算出不同的日涌水量。對(duì)于剖面1和剖面3當(dāng)Kr/Kg>5后,隧道開挖涌水量的計(jì)算結(jié)果減少變緩;對(duì)于剖面2當(dāng)Kr/Kg>7后就會(huì)出現(xiàn)隧道開挖涌水量的計(jì)算結(jié)果減少變緩的現(xiàn)象。
圖5 隧道開挖涌水量隨注漿圈滲透系數(shù)的變化
圖7 檢查孔布置
當(dāng)所取注漿圈的滲透系數(shù)相同而注漿圈厚度不同時(shí),計(jì)算所得隧道開挖日涌水量也不相同。如圖6分別為剖面1(其他2個(gè)剖面類似)在隧道開挖涌水量隨注漿圈厚度的變化情況,計(jì)算中分別考慮了Kr/Kg=2、Kr/Kg=5和Kr/Kg=10 3種情況。從圖中可以看出,這3種情況下隧道開挖涌水量隨注漿圈厚度變化的規(guī)律是相似的,并且當(dāng)注漿圈厚度大于5 m后,隧道開挖日涌水量的變化逐漸趨緩并最終趨向于穩(wěn)定。
圖6 剖面1隧道開挖涌水量隨注漿圈厚度的變化
同時(shí),當(dāng)注漿圈從3 m增加到8 m的過程中在各個(gè)滲透系數(shù)確定的情況下,隧道開挖日涌水量的變化值也是幾乎相同的。這就可以說明對(duì)于同一滲透系數(shù),注漿圈厚度的改變對(duì)隧道開挖日涌水量的控制是有限的,所以對(duì)于一定的隧道圍巖地質(zhì)狀況,當(dāng)注漿材料、注漿工藝等確定時(shí),必需注意控制注漿效果,避免浪費(fèi)。
此循環(huán)總注漿量為1 285.4 m3,總進(jìn)尺為30 m,平均每延米注漿量為42.85 m3。單孔最大注漿量為0.51 m3/m,主要集中在隧道開挖面的上部和左側(cè),此處裂隙較大,出水量較大;右側(cè)孔(地質(zhì)情況較好)出現(xiàn)最小注漿量0.2 m3/m。
注漿分多次掃孔完成,注漿主要是填充裂隙加固巖層。拱頂部位是注漿的關(guān)鍵,從地質(zhì)探孔和注漿鉆孔情況分析,拱頂正上方5 m,而這一位置恰好處于B續(xù)孔端部,為注漿加固之薄弱環(huán)節(jié)。拱頂A5、A6、B3、C1、C3等孔注漿量也較大,達(dá)到0.4~0.51 m3/m,在這4個(gè)孔中掃孔至7 m開始有較大出水量,在第二次補(bǔ)充注漿掃孔后無水或水量很小,但注漿量依然很大,注漿壓力很低(1 MPa左右),上升緩慢甚至注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值而壓力無法達(dá)到設(shè)計(jì)值。通過反復(fù)分析掃孔和注漿過程,在拱頂正上方偏左1~3 m,深度為17~20 m位置處有結(jié)構(gòu)面,存在較大的裂隙,通過注漿已完全封堵了此裂隙。
此循環(huán)注漿為擠密注漿,注漿過程控制采用“控壓限量”的方法,注漿壓力限制在3~4 MPa內(nèi),主要以控制注漿壓力及流量作為單孔每循環(huán)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。
注漿效果檢查采用鉆檢查孔法,根據(jù)注漿狀況,選擇注漿范圍存在薄弱環(huán)節(jié)的注漿部位布設(shè)檢查孔,檢查孔布置如圖7所示。
表7 檢查孔出水量匯總 L/min
分析如上各孔的出水量,總共出水量為1.49 L/min。其中,J2、J3和J4出水量較大,J7、J8出水量較小,可以說明隧道左側(cè)裂隙較發(fā)育,出水量較大,這和前面整個(gè)斷面內(nèi)的注漿量分布是相對(duì)應(yīng)的。為了進(jìn)一步研究出水量在注漿前后的分布規(guī)律,下面將綜合公式法和數(shù)值法對(duì)涌水量進(jìn)行計(jì)算。
在無注漿情況下,利用公式法和數(shù)值法的隧道開挖涌水量計(jì)算結(jié)果如表8所示。
表8 無注漿情況下隧道開挖涌水量計(jì)算結(jié)果 m3/d
通過分析表8可以發(fā)現(xiàn),在剖面1和剖面3利用公式法計(jì)算的結(jié)果較數(shù)值法小一些,而在剖面2正好相反。分析兩種計(jì)算方法,對(duì)于公式法,它有很多的不足,比如說:只能考慮圍巖滲透系數(shù)為各向同性;只能對(duì)圓形洞室進(jìn)行求解;大部分公式只是對(duì)毛洞進(jìn)行研究,不能考慮注漿、襯砌結(jié)構(gòu)等的影響;不能考慮滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等的耦合作用。而對(duì)于數(shù)值法,在求解邊界條件復(fù)雜、本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜的問題上有很大的優(yōu)勢(shì),但它的計(jì)算結(jié)果有很大的隨意性,仍然有它的不足,其中涌水量的計(jì)算結(jié)果受所取滲透系數(shù)、計(jì)算模型大小、網(wǎng)格劃分質(zhì)量等條件影響很大。另外,就計(jì)算的3個(gè)剖面而言,3個(gè)剖面所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)情況不相同,計(jì)算所得滲透系數(shù)也不同,其中在數(shù)值法計(jì)算中隧道圍巖的滲透系數(shù)是按公式等效后選用的,而在這個(gè)等效化公式中涉及到了模型尺寸,所以即使對(duì)于同一計(jì)算剖面,而選用不同的計(jì)算模型就會(huì)得出不同的等效化滲透系數(shù),進(jìn)而計(jì)算出不同的涌水量。即而會(huì)出現(xiàn)剖面1和剖面3利用公式法計(jì)算的結(jié)果較數(shù)值法小一些,而剖面2正好相反的情況。
比較公式法和數(shù)值法在注漿后的隧道開挖涌水量見表9,一方面注漿后的比較結(jié)果和注漿前的比較結(jié)果是一樣的;另一方面,剖面1和剖面2的計(jì)算結(jié)果相似的。所以在實(shí)地注漿的時(shí)候,注漿設(shè)計(jì)時(shí)可以將Kr/Kg=5所對(duì)應(yīng)的注漿量作為實(shí)際設(shè)計(jì)值進(jìn)行參考,而剖面2的注漿量Kr/Kg=5所對(duì)應(yīng)的注漿量及注漿壓力基礎(chǔ)之上應(yīng)該有所提高,才能充分達(dá)到預(yù)期的注漿效果。
表9 注漿后隧道開挖涌水量計(jì)算結(jié)果 m3/d
過斷層F4-4的第一個(gè)循環(huán)預(yù)注漿,即隧道過斷層F4-4的開始段,與計(jì)算模型的剖面1相對(duì)應(yīng)。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,此次注漿循環(huán)后隧道上半斷面10個(gè)檢查孔總共的出水量為2.145 6 m3/d。10個(gè)檢查孔的出水量?jī)H為上隧道上半斷面的涌水量值,如果近似考慮隧道上半斷面和下半斷面的涌水量相等,整個(gè)隧道開挖出水量大約為4.29 m3/d,而用數(shù)值分析法和公式法的計(jì)算結(jié)果分別為4.35 m3/d和4.50 m3/d。因此可以說明,此循環(huán)注漿達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。
通過隧道開挖涌水量計(jì)算和注漿后隧道出水量實(shí)測(cè)兩方面對(duì)海底隧道穿越斷層F4-4時(shí)預(yù)注漿的效果進(jìn)行檢查與評(píng)價(jià),可以得出如下結(jié)論。
(1)公式法計(jì)算隧道開挖涌水量有很多的不足,主要是由于公式法的一些假設(shè)與實(shí)際隧道圍巖的地質(zhì)情況有一定的差距;數(shù)值法在求解邊界條件復(fù)雜、本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜的問題上有很大的優(yōu)勢(shì),涌水量計(jì)算結(jié)果較為合理,在計(jì)算過程中需特別注意滲透系數(shù)的選取、計(jì)算模型大小、網(wǎng)格劃分質(zhì)量等條件。
(2)比較兩種方法的計(jì)算結(jié)果可知,基本上利用數(shù)值法的計(jì)算結(jié)果要大于公式法的計(jì)算結(jié)果,原因主要在于數(shù)值法考慮的隧道圍巖地質(zhì)特性和隧道斷面形狀與實(shí)際更符合些。
(3)當(dāng)采用不同注漿圈厚度和不同注漿圈滲透系數(shù)時(shí),隧道開挖涌水量的變化明顯有一定的規(guī)律,主要表現(xiàn)為兩方面:一方面,隨著注漿圈厚度的增加隧道開挖涌水量減小,但當(dāng)注漿圈厚度大于5 m后,3個(gè)剖面的隧道開挖涌水量的變化趨于平緩。如果按注漿圈厚度為5 m和Kr/Kg=5時(shí)進(jìn)行比較,3個(gè)剖面的涌水量分別為4.35、9.33、4.20 m3/d,而在未注漿的情況下,三者分別為9.11、17.40、7.35 m3/d,即涌水量分別減少了54%、46%和43%。另一方面,在相同注漿圈厚度的情況下,隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小,隧道開挖涌水量也相應(yīng)的減小,但對(duì)于不同的隧道圍巖地質(zhì),當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)小于一定值的時(shí)候,隧道開挖涌水量的減少就會(huì)變得不明顯。當(dāng)Kr/Kg=5時(shí),相對(duì)于未注漿隧道的涌水量減小了54%,并且會(huì)隨著Kr/Kg值的增大涌水量會(huì)進(jìn)一步減少,但變化會(huì)越來越小。
(4)通過如上計(jì)算過斷層F4-4開始階段時(shí),用公式法、數(shù)值法及實(shí)測(cè)所得的隧道涌水量分別為:4.50、4.35、4.29 m3/d,三者大小相近,說明本循環(huán)注漿達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。
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