富水黃土隧洞加固方式對其力學(xué)響應(yīng)的影響

孫志杰，袁　杰，宿鐘鳴，薛曉輝，趙紫陽

(1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 山西 太原 030006；

2.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司， 北京 100044)

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富水黃土隧洞加固方式對其力學(xué)響應(yīng)的影響

孫志杰1，袁杰2，宿鐘鳴1，薛曉輝1，趙紫陽1

(1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 山西 太原 030006；

2.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司， 北京 100044)

摘要：依托某富水黃土隧洞，應(yīng)用有限元分析軟件對常水位作用不同工況下洞周圍巖滲流場和位移場進(jìn)行了模擬，對開挖過程中不同加固方式對洞周圍巖的響應(yīng)(滲流場、應(yīng)力場和位移場)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：洞周加固體的滲透性能對圍巖的滲流路徑、孔隙水壓力和流速都有較大影響，對隧洞周圍土體位移也有影響。在進(jìn)行富水黃土隧洞注漿加固材料設(shè)計時，既要考慮材料的阻水效果，同時還要考慮加固體阻水后導(dǎo)致的土體孔隙水增加引起的土體抗剪強(qiáng)度的降低效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：滲流；富水黃土隧洞；加固；變形

富水黃土隧洞開挖過程中，滲水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，從掌子面滲出的水體在重力作用下最后基本都匯到作業(yè)面最低處仰拱底[1],嚴(yán)重降低了基底的承載能力。

隧洞施工時，由于開挖形成了二次應(yīng)力場，同時開挖造成原始土體中地下水平衡的改變，造成了滲流場的改變及應(yīng)力場的重分布。水的滲透力可能增加巖土體的孔隙度和連通性，改變巖土體的滲透性，使巖土體剪切變形和劈裂擴(kuò)展，影響巖土體穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致巖土體強(qiáng)度降低[2]。因此，在進(jìn)行水位線以下黃土隧洞施工時，隧洞周邊的水環(huán)境更應(yīng)進(jìn)行細(xì)致勘察，以考慮隧洞滲流場與位移場相互作用對隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，采取有效加固措施確保隧洞安全施工和運營。

目前，對富水軟巖隧洞施工多采用注漿加固方法，一方面提高圍巖的自承載能力，另一方面封閉地下水的入滲通道，在這方面國內(nèi)有大量成功施工案例[3-7]。

國內(nèi)學(xué)者針對巖體的流-固耦合規(guī)律等也開展了大量的研究工作[8-15]，王金男等[8]采用三維有限元法對盾構(gòu)穿過大堤，隧洞、大堤加固前后各工況的滲流場進(jìn)行了模擬。王道良[9]模擬了連拱隧洞圍巖滲透系數(shù)大小對滲流場特征的影響，并對常水位作用下隧洞滲漏水特點進(jìn)行了研究。魏綱等[10]對盾構(gòu)出洞條件下地下水滲流造成涌砂涌水的災(zāi)害影響進(jìn)行了分析。喬金麗等[11]通過工程實例，應(yīng)用軟件集成可視化系統(tǒng)，對盾構(gòu)隧洞開挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行了滲流分析。鄒金鋒[12]采用解析方向考慮水-力耦合時交通隧洞非線性解。杜朝偉等[13]以復(fù)變函數(shù)和地下水水力學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)由圍巖、注漿圈、襯砌混凝土組成的水下隧洞滲流場解析解。筆者[14]也曾對支護(hù)結(jié)構(gòu)不同滲透系數(shù)下黃土隧洞滲流場進(jìn)行了初步分析[13]。

綜上所述，目前對富水黃土隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)加固措施從滲流與應(yīng)力相互作用的研究甚少。而黃土的水敏性是造成黃土強(qiáng)度急劇損失的最不利因素，當(dāng)黃土隧洞處于富水環(huán)境中時，土體中的孔隙水處于封閉狀態(tài)，整個地下水體處于平衡狀態(tài)，幾乎是靜止，不會產(chǎn)生滲流[14-15]。隨著隧洞的開挖，洞周土體孔隙水壓力、水的入滲路徑、滲流速度怎樣分布？土體位移場與無水隧洞位移場分布有何區(qū)別？同時，洞周不同加固材料對土體位移場和滲流場又有何影響？

基于此，本文綜合考慮隧洞開挖應(yīng)力邊界與地下水入滲滲流邊界條件，建立兩車道富水黃土隧洞應(yīng)力-滲流耦合數(shù)值模型，對隧洞在地下水滲流作用下注漿加固體抗?jié)B性能對隧洞滲流場和圍巖位移場的影響進(jìn)行分析，以期為富水黃土隧洞注漿加固材料參數(shù)提供參考。

1基本理論

對于二維飽和土體，流入微單元的水量等于流出的水量[16]，即

(1)

即：

(2)

根據(jù)達(dá)西滲流定律：

(3)

式中：H為水頭函數(shù)；kx、ky分別為x方向、y方向的滲透系數(shù)。

將式(3)代入式(2)，得：

(4)

根據(jù)變分原理和伽遼金(Galerkin)法，在滲流區(qū)域Ω中構(gòu)造的泛函為：

(5)

假設(shè)單元形函數(shù)Ni由單元相應(yīng)k個結(jié)點的位置坐標(biāo)構(gòu)成，劃分滲流場Ω為K個獨立單元Ωe，則單元e內(nèi)任一點水頭為：

(6)

將式(6)代入式(5)，用Ie(H)表示單元e上的泛函，得到式(7)：

(7)

對式(7)各項求導(dǎo)和極小值，得到：

(8)

將上述單元泛函求微分并疊加，求極值，得到N個未知結(jié)點水頭的方程組，用矩陣形式表示為：

(9)

其中：{F}為已知常數(shù)項，由已知結(jié)點得出。

對于穩(wěn)定滲流，式(9)變?yōu)椋?/p>

[K]{H}={F}

(10)

展開：

(11)

其中：

2隧洞加固方式對力學(xué)響應(yīng)的分析

2.1模型建立

依托工程為某高速公路富水黃土隧洞，斷面型式為兩車道斷面，隧址區(qū)地層上層以新黃土、飽和黃土和古土壤為主的上更新統(tǒng)地層，下層以老黃土為主的中更新統(tǒng)地層。隧洞穿越層主要為以老黃土為主的中更新統(tǒng)地層，該層土體含水率達(dá)到飽和，其承載力小，抗剪強(qiáng)度低，對施工極為不利。

本文采用有限元軟件進(jìn)行模擬分析，考慮到邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，水平方向模型左右邊界范圍取值>4倍洞徑，模型水平向取240 m；豎直方向模型底部高度取值>4倍洞高，模型頂部按隧洞實際埋深選取，模型豎向取120 m。模型有限元網(wǎng)格如圖1所示。

應(yīng)力邊界條件：底部邊界約束豎向、水平位移，水平邊界約束水平位移，頂部邊界不約束[14]。

滲流邊界條件：地下水位距模型上表面30 m，模型兩側(cè)距模型上表面以下30 m～90 m范圍內(nèi)取總水頭60 m。隧洞開挖面取壓力水頭為零。

圖1二維隧洞應(yīng)力-滲流網(wǎng)格圖

2.2模型參數(shù)

計算模型圍巖參數(shù)根據(jù)隧址區(qū)所取原狀土室內(nèi)三軸試驗獲得。土體本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型，初期支護(hù)為線彈性模型，均采用平面應(yīng)變單元，模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　材料物理力學(xué)參數(shù)

表2　加固體各工況滲透系數(shù)

3模擬結(jié)果

3.1滲流場特征分析

研究常水頭條件下隧洞開挖引起的洞周滲流場變化特征，對不同加固參數(shù)(加固體滲透系數(shù))圍巖滲流路徑、孔隙水壓力、滲流速度的分布特點及變化規(guī)律進(jìn)行對比分析，揭示加固體滲透系數(shù)對滲流特性的影響。

不同工況下隧洞洞周關(guān)鍵點滲流路徑分布如圖2。

當(dāng)圍巖未加固時(圖2(a))，拱部無外部補(bǔ)給水體，拱腳水體由兩側(cè)地下10 m深水源補(bǔ)給；加固體滲透性較大時(圖2(b))，拱部無外部補(bǔ)給水體，拱腳由兩側(cè)地下約40 m深水體水平滲入；當(dāng)滲透系數(shù)減小到一定程度(圖2(c)、圖2(d))，拱頂水體由上方地表入滲，拱腳由底層水體向上滲入。

仰拱部位水體滲流路徑全部由仰拱下部向上滲入。當(dāng)無加固時(圖2(a))，向仰拱部位入滲水源水平分布長度約為70 m，隨著加固體滲透系數(shù)的減小，入滲水源水平分布范圍減小。

由圖2可見，加固體滲透系數(shù)對隧洞拱部的滲流路徑影響程度大于仰拱的滲流路徑。

不同工況洞周孔隙水壓力云圖如圖3所示。由于孔隙壓力分布云圖形式類似，僅列出無加固和加固體滲透系數(shù)k=1×10-5工況。

隧洞周邊孔隙水壓力隨初支滲透系數(shù)減小而增大。加固體的抗?jié)B性能對洞周圍巖體孔隙水壓力的影響較大。當(dāng)洞周圍巖未加固時，地下水從洞室凈空及時排出，孔隙水壓力等值線在洞周的平行趨勢被打破，如圖3(a)。在加固效果較好(加固體滲透系數(shù)較小)的情況下，加固體可以很好封閉地下水滲流路徑，孔隙水壓力等值線趨于水平，如圖3(b)。

不同工況下滲流速度分布如圖4所示。

圖2　洞周滲流路徑分布圖

圖3　孔隙水壓力分布

圖4洞周滲流速度分布

如圖4所示，當(dāng)洞周圍巖無加固時，較大滲流流速分布于仰拱部位，最值在仰拱拱腳部位，為0.134 m/h，最大流速方向為拱頂方向。圍巖加固后，最大滲流流速依然出現(xiàn)在仰拱拱腳部位，隨著滲透系數(shù)減小，最大流速依次為0.15 m/h、0.055 m/h、0.0085 m/h。由于仰拱部位進(jìn)行了后期二次注漿加固，仰拱部位阻水效果較其他部位更強(qiáng)。伴隨加固體滲透系數(shù)減小，邊墻和拱部的流速進(jìn)行重分布，邊墻和拱部的流速差異逐漸減小。

3.2位移場特征分析

除滲流場外，還對比分析了滲流和應(yīng)力耦合作用下加固體對圍巖豎向位移和塑性區(qū)的影響。

不同工況下圍巖關(guān)鍵點距洞周不同深度處豎向位移如圖5所示，隧洞圍巖最大豎向位移分布在隧洞拱部和仰拱部位。

分析圖5，加固可以從一定程度上減小圍巖豎向位移。但加固對仰拱部位圍巖變形的約束依舊不明顯，致使仰拱部位進(jìn)行了二次注漿加固。

圖5隧洞不同部位地中位移

加固體滲透系數(shù)對拱頂和仰拱豎向位移的變化規(guī)律不同。拱頂部位豎向位移隨加固體滲透系數(shù)減小而減小，但當(dāng)k<1×10-4m/h時，滲透系數(shù)的減小對拱頂豎向位移影響較小。仰拱部位豎向位移隨加固體滲透系數(shù)減小而增大，但增幅較小。因為隨著仰拱部位二次注漿加固體阻水效果增強(qiáng)，導(dǎo)致該部位孔隙水壓力增大，致使該部位仰拱隆起增加。

拱頂和仰拱處豎向位移與滲透系數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。

綜合圖5、圖6看出，拱頂沉降隨加固體滲透系數(shù)的減小而減小，仰拱隆起隨加固體滲透系數(shù)的減小而增大，但當(dāng)k<1×10-4m/h時，滲透系數(shù)的減小對豎向位移影響幅度降低。

隧洞圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖7所示。

圖6　洞周豎向位移和滲透系數(shù)曲線圖

圖7塑性區(qū)分布圖

如圖7所示，隧洞圍巖塑性區(qū)主要發(fā)生在仰拱兩側(cè)拱肩部位。未加固時，仰拱拱肩臨隧洞側(cè)有少部分區(qū)域發(fā)生破壞。加固后，工況一、工況二塑性區(qū)范圍未明顯改善，但未出現(xiàn)破壞區(qū)域。工況三在塑性區(qū)域的遠(yuǎn)離隧洞側(cè)有少部分區(qū)域破壞，分析是由于仰拱加固體滲透系數(shù)減小，導(dǎo)致仰拱阻水性能提高，外側(cè)水不能入滲，孔隙水壓力增大，土體有效應(yīng)力下降，土體抗剪強(qiáng)度下降，導(dǎo)致塑性區(qū)擴(kuò)展。

4結(jié)論

采用有限元數(shù)值模擬方法，依托某高速公路兩車道富水黃土隧洞，分別針對隧洞周邊圍巖未加固和不同加固條件多個工況，對隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)不同加固效果進(jìn)行了模擬分析。對富水黃土隧洞在地下水滲流作用下注漿加固體抗?jié)B性能對隧洞滲流場和圍巖位移場的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，洞周加固體的滲透性能對洞室周邊土體的滲流路徑、孔隙水壓和流速都有較大影響，對洞周圍巖豎向位移也有影響，具體表現(xiàn)為：

(1) 加固體滲透性對隧洞拱部的滲流路徑影響大于仰拱部位。

(2) 由于仰拱部位進(jìn)行了后期二次注漿加固，仰拱部位阻水效果較其他部位更強(qiáng)。伴隨加固體滲透系數(shù)減小，邊墻和拱部的流速進(jìn)行重分布，邊墻和拱部的流速差異逐漸減小。

(3) 仰拱隆起隨加固體滲透系數(shù)的減小而增大，拱頂沉降隨加固體滲透系數(shù)的減小而減小。但結(jié)構(gòu)滲透性對圍巖位移影響有一定范圍，滲透系數(shù)減小到一定程度，對圍巖位移影響減弱。

綜上，在進(jìn)行富水黃土隧洞注漿加固材料設(shè)計時，既要考慮材料的阻水效果，同時還要考慮加固體阻水后導(dǎo)致的土體孔隙水增加引起的土體抗剪強(qiáng)度的降低效應(yīng)。

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Influences of Strengthening on Mechanical Response of Water-rich Loess Tunnels

SUN Zhijie1, YUAN Jie2, SU Zhongming1, XUE Xiaohui1, ZHAO Ziyang1

(1.KeyLaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceTechnologyinLoessRegionShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China；2.ChinaStateConstructionInfrastructureCo.,Ltd.,Beijing100044,China)

Abstract：Taking a water-rich loess tunnel as an example, the FEM software was adopted to simulate the influence of different strengthening methods on mechanical response of tunnel surrounding soil (seepage field and stress field and deformation field) in water-rich loess tunnel excavation. The influence of flow field characteristics and displacement field characteristics caused by variation of grouting-reinforcement structure permeability coefficient in ordinary water level was also analyzed. The results show that the permeability coefficient of grouting-reinforcement structure play an important role in the seepage path, pore water pressure and seepage velocity. It also has impacts on the displacement of surrounding rock. Therefore designs of grouting-reinforcement structure of water-rich loess tunnel should consider impacts of seepage-stress coupling effect. First, the waterproofing effect of grouting-reinforcement structure should be considered, otherwise, it will avoid the pore water pressure increasing by increase of waterproofing effect of grouting-reinforcement structure and the soil shear strength will reduce.

Keywords:seepage; water-rich loess tunnel; grouting-reinforcement; deformation

中圖分類號：U457+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2016)02—0172—06

作者簡介：孫志杰(1983—)，男，山西靈石人，碩士，工程師，主要從事巖土工程災(zāi)害處治研究工作。E-mail:18835130490@163.com

基金項目：山西省交通運輸廳科研項目(2012-1-1)；山西省基礎(chǔ)研究項目(2015021113)

收稿日期：2015-11-20修稿日期：2015-12-27

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.02.034