某隧道斷層區(qū)段流固耦合分析及涌水處治措施研究

王 超

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，成都 610500)

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某隧道斷層區(qū)段流固耦合分析及涌水處治措施研究

王 超

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，成都 610500)

針對澤雅隧道穿越F10斷層破碎帶區(qū)圍巖破碎、涌水量大等問題，為保證隧道的正常施工，確保后期運(yùn)營安全，采用ABAQUS數(shù)值分析軟件建立是否考慮流固耦合的模型，分析不同工況下襯砌的力學(xué)特性，計(jì)算顯示滲流的存在導(dǎo)致隧道襯砌最大總應(yīng)力增加52.15%，襯砌最大彎矩增加75.4%。鑒于涌水對隧道力學(xué)特性影響較大，進(jìn)而結(jié)合隧道實(shí)際情況進(jìn)行涌水處治措施比選，選取泄水孔結(jié)合徑向注漿的處治措施，并運(yùn)用數(shù)值分析手段對注漿圈厚度和注漿材料滲透系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果顯示注漿層厚度為5～7 m時(shí)，注漿材料滲透系數(shù)為圍巖的30～50倍時(shí)施工效果較好。該分析結(jié)果有效指導(dǎo)了施工，可為類似工程提供參考。

隧道涌水；數(shù)值分析；處治措施；注漿參數(shù)

斷層破碎帶是隧道建設(shè)中面臨的一大難題，長期以來一直干擾著隧道的正常施工。斷層破碎帶內(nèi)裂隙集中發(fā)育、巖體破碎嚴(yán)重，不僅其本身賦存大量地下水，還易形成地表水滲流的通道，導(dǎo)致施工中出現(xiàn)涌水、突泥等災(zāi)害[1-5]。目前已有諸多學(xué)者對穿越斷層破碎帶隧道建設(shè)進(jìn)行了有益探索。

圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究方面：劉志春等[6]采用監(jiān)控量測方法對烏鞘嶺隧道穿越F4斷層破碎帶段進(jìn)行研究，對復(fù)雜應(yīng)力條件下軟巖隧道初支沉降及應(yīng)力、二襯接觸壓力及混凝土應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測，并采用曲線擬合的方法對位移、壓力和應(yīng)力等量測項(xiàng)目最終值進(jìn)行預(yù)測；黎盼[7]以隧道穿越區(qū)斷層破碎帶圍巖為研究對象，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段，對自重應(yīng)力場作用下穿越不同產(chǎn)狀斷層、采用不同開挖方法的隧道周邊圍巖的應(yīng)力應(yīng)變場及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了探討；高虎軍[8]依托青坪隧道工程，在考慮外水壓力的基礎(chǔ)上，研究了應(yīng)力場和滲流場雙場耦合情況下圍巖和襯砌的變形及力學(xué)特性，并與不考慮流固耦合情況進(jìn)行對比，揭示了外水壓力對隧道的影響。斷層破碎帶隧道施工水處治技術(shù)方面：鄒育麟等[9]以某近接水庫公路隧道工程為依托，采用FLAC軟件對全封堵、水通過環(huán)向排水管及盲管滲流進(jìn)隧道、襯砌墻角設(shè)置泄水孔3種排水方式進(jìn)行比較，以襯砌背后水壓力和排水量為評價(jià)指標(biāo)，對注漿圈厚度和滲透系數(shù)進(jìn)行了探討。

澤雅特長隧道洞身穿越斷層破碎帶14處，隧址區(qū)雨水充沛，部分?jǐn)鄬优c地表水連通，地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)少，各破碎帶參數(shù)差異大，簡單借鑒其他工程具有一定的盲目性[10]，為選出快速安全通過斷層破碎帶的方法，首先應(yīng)計(jì)算破碎帶區(qū)域水對隧道襯砌變形及應(yīng)力的影響，進(jìn)而采取合理的水處治措施，并分析驗(yàn)證處治措施的可行性，最終保證工程的順利實(shí)施。

1 工程概況

金溫鐵路澤雅隧道全長12.03 km，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道。除進(jìn)出口段為淺埋外，其余段埋深均大于100 m，局部地段埋深大于400 m。洞身穿越區(qū)域共有斷層14處，斷層破碎帶及其影響帶內(nèi)圍巖受構(gòu)造運(yùn)動影響，巖體破碎。其中斷層F10段巖體破碎嚴(yán)重，地表水發(fā)育，溝谷呈V字形發(fā)育，植被茂密，溪谷較多，水量較豐富，區(qū)域地下水主要為構(gòu)造裂隙水，主要貯存于斷層破碎帶的碎裂巖體孔隙和擠壓破碎的巖組中，現(xiàn)場測試隧道單位出水量為98 m3/h，補(bǔ)給來源主要為大氣降水，如圖1所示。隧道正洞圍巖級別為IV級，采用一般復(fù)合式襯砌支護(hù)形式，采用C35混凝土。

圖1 F10斷層縱斷面示意

2 數(shù)值研究

2.1 模型建立及參數(shù)選取

選取地質(zhì)情況最差的F10段隧道進(jìn)行分析，模型橫向及豎向長度均取100 m，符合計(jì)算要求精度，如圖2所示；該處埋深350 m，將模型上部的巖土體及水體換算為等效荷載施加在模型頂面，地下水位線在地表下20 m，模型頂部施加等效的水壓。圍巖采用實(shí)體單元(CPE4P)，襯砌采用梁單元(B21)，圍巖與襯砌采用tie方式連接。計(jì)算中假定圍巖為均質(zhì)、各向同性的等效連續(xù)滲透性介質(zhì)，水面以下巖體完全飽和，開挖前孔隙水處于靜止?fàn)顟B(tài)，開挖后孔隙水處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，巖體中孔隙水流動服從Darcy定理。

圖2 有限元模型(單位：m)

邊界條件：模型左右兩側(cè)約束水平位移，底面約束豎向和水平位移，頂面為自由面；考慮流固耦合時(shí)，底部和兩側(cè)為不透水面，上表面設(shè)置固定水頭邊界條件，模型始終飽和。不考慮初支對滲流的影響，隧道掌子面設(shè)置為零壓力水頭邊界。施加重力及上部巖土體的等效荷載。模擬參數(shù)依據(jù)勘察報(bào)告、試驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)選取如表1所示。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

模擬步驟為：①設(shè)置掌子面流體邊界條件；②隧道開挖，圍巖應(yīng)力釋放40%；③施加支護(hù)及襯砌，圍巖應(yīng)力全部釋放。

2.2 計(jì)算工況擬定

流固耦合是流固兩域部分或全部重疊在一起時(shí)，如巖土中的滲流問題，計(jì)算中考慮液體的滲流作用，其計(jì)算結(jié)果更能反映水對隧道的影響。計(jì)算工況擬定如下。

工況1：不考慮流固耦合，不施加水壓力、滲流邊界；

工況2：考慮流固耦合，施加水壓力、滲流邊界。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 襯砌總應(yīng)力分析

圖3列出了2種工況下的襯砌應(yīng)力分布情況。

圖3 2種工況下襯砌應(yīng)力分布(單位：MPa)

由圖3可知，襯砌主要承受壓應(yīng)力。工況1情況下，拱腳部位襯砌總應(yīng)力較小，最大總應(yīng)力值出現(xiàn)在兩側(cè)邊墻處，其值為21.84 MPa，最小總應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腳部位，其值為11.73 MPa；仰拱部位總應(yīng)力分布形式較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為中間小兩邊大的駝峰形式。工況2情況下，拱頂、拱腳襯砌總應(yīng)力較小，邊墻及仰拱部位較大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在仰拱中心處，其值為33.23 MPa，最小總應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腳部位，其值為10.78 MPa。由于滲流作用的影響，工況2時(shí)最大總應(yīng)力增加11.39 MPa，增幅達(dá)52.15%；襯砌最大總應(yīng)力出現(xiàn)位置有所變化，工況1時(shí)襯砌最大總應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻處，工況2時(shí)襯砌最大總應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱中心處。

3.2 襯砌彎矩分析

圖4列出了2種工況下隧道襯砌彎矩的分布。

圖4 2種工況下襯砌彎矩分布(單位：kN·m)

由圖4可知(圖中正值表示襯砌內(nèi)側(cè)受拉，負(fù)值表示襯砌外側(cè)受拉)：工況1情況下，襯砌拱頂、拱腰、邊墻部位彎矩值較小，拱腳和仰拱部位彎矩值較大，拱頂、拱腰、邊墻部位襯砌外側(cè)承受較小的值的拉力；最大負(fù)彎矩值出現(xiàn)在拱腳部位，其值為461.5 kN·m，最大正彎矩出現(xiàn)在仰拱的兩側(cè)，其值為362.9 kN·m；仰拱部位襯砌彎矩總體表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉，兩側(cè)拉力值大于中間部位。工況2情況下，襯砌拱頂、拱腰、邊墻部位彎矩值較小，拱腳和仰拱部位彎矩值較大，拱頂、拱腰、邊墻部位襯砌外側(cè)承受較小的值的拉力；最大負(fù)彎矩值出現(xiàn)在拱腳部位，其值為809.5 kN·m，最大正彎矩出現(xiàn)在仰拱中心部位，其值為566.2 kN·m。由于滲流作用的影響，工況2襯砌彎矩最大值增加了348 kN·m，增幅達(dá)75.4%。

3.3 圍巖塑性區(qū)分布

圖5列出了兩種工況下隧道開挖后圍巖塑性區(qū)的分布。

圖5 2種工況下圍巖塑性區(qū)分布

由圖5可知，隧道開挖在仰拱部位形成了較大的塑性區(qū)。工況1情況下圍巖塑性區(qū)主要分布在拱頂、拱腰、邊墻和仰拱部位，拱腳部位圍巖基本無塑性應(yīng)變，仰拱處塑性應(yīng)變沿隧道輪廓徑向擴(kuò)散最遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離達(dá)3.5 m，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在邊墻處。工況2情況下圍巖塑性區(qū)主要分布在拱頂、拱腰、邊墻和仰拱部位，拱腳部位圍巖基本無塑性應(yīng)變，仰拱處塑性應(yīng)變沿隧道輪廓徑向擴(kuò)散最遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離達(dá)6 m，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在仰拱處。

2種工況下各部位圍巖塑性區(qū)最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離對比如表2所示。由表2可知：滲流場對圍巖塑性區(qū)分布影響最大的區(qū)域?yàn)檠龉安课?；工況2圍巖塑性區(qū)范圍增大至原來的1.71倍，增幅達(dá)71%。

表2 不同工況塑性區(qū)擴(kuò)散距離 m

綜上數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：由于圍巖中水的存在，直接導(dǎo)致襯砌總應(yīng)力值增大52.15%，彎矩值增大75.4%。隧道襯砌在較大的壓應(yīng)力和彎矩同時(shí)作用下，極易造成部分襯砌混凝土的壓碎，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力，造成襯砌出現(xiàn)裂紋、裂縫等病害，而裂紋裂縫又會成為水流通道，加劇隧道結(jié)構(gòu)的破壞。且塑性區(qū)的加大也會造成圍巖流變區(qū)域加大，造成圍巖承載力下降，進(jìn)一步加劇襯砌的變形，影響施工和運(yùn)營安全。

4 涌水處治

由前述考慮水作用的流固耦合對比計(jì)算結(jié)果可知，滲流的存在造成襯砌內(nèi)力及圍巖塑性區(qū)變化明顯，普通的襯砌設(shè)計(jì)已不足以滿足隧道安全運(yùn)營的標(biāo)準(zhǔn)，且襯砌施作時(shí)沿隧道輪廓線的大量涌水會影響施工進(jìn)程，造成混凝土的坍落度增加，影響襯砌強(qiáng)度。故很有必要對隧道涌水進(jìn)行處治。目前主要的處治方法有堵水和泄水2種處理措施。針對F10斷層破碎帶圍巖實(shí)際情況，從多方面進(jìn)行涌水處治措施比選[11-15]。方案比選見表3。

表3 方案比選

澤雅隧道DK165+052段，穿越F10斷層破碎帶，日出水量達(dá)2 352 m3，該涌水量屬大股狀涌水，超前預(yù)注漿難度高。經(jīng)綜合比選，選擇泄水加徑向注漿處理措施，即開挖之前，先在掌子面底部打泄水孔進(jìn)行泄水，再進(jìn)行環(huán)向注漿。

4.1 注漿參數(shù)選取

4.1.1 注漿圈厚度選取

選取澤雅隧道穿越F10斷面，進(jìn)行以下工況的流固耦合數(shù)值分析，各計(jì)算工況見表4。各工況計(jì)算時(shí)，注漿圈滲透系數(shù)保持不變，均為5×10-3cm/s，注漿范圍為360°，即全范圍注漿[16]。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖6列出了注漿加固圈厚度K為0(不注漿)、3、5、7 m時(shí)的孔隙水壓力場分布。

圖6 各工況孔隙水壓力場分布(單位：Pa)

由圖6可知：當(dāng)K=0 m(不注漿)時(shí)，孔隙水壓力呈漏斗狀分布。相比于K=0 m情況，K=3 m時(shí)，隧道的開挖對滲流場的影響區(qū)域明顯減小，隧道開挖輪廓線附近孔隙水壓力場等值線呈現(xiàn)近似水平狀態(tài)，僅有襯砌排水孔部位水壓較小。隨著注漿圈厚度的增加，隧道開挖輪廓線周圍孔隙壓力繼續(xù)減小，當(dāng)K=5 m時(shí)，隧道拱腰附近孔隙水壓力接近排水孔附近，僅拱頂和仰拱處孔隙水壓力較大。當(dāng)K=7 m時(shí)，整個(gè)隧道輪廓線附近水壓力均減小至排水孔附近圍巖孔隙水壓力水平。當(dāng)K>7 m后，隨著注漿圈厚度增加，隧道附近孔隙水壓力基本不再變化，僅壓力下降區(qū)域有所擴(kuò)大。綜上可知，合理注漿圈厚度K=5～7 m。

4.2 注漿圈滲透系數(shù)選取

4.2.1 計(jì)算工況

選取的各計(jì)算工況見表5。不同工況注漿圈厚度保持不變，均為7 m，注漿范圍為360°。用字母p表示圍巖與注漿圈滲透系數(shù)之比。

表5 不同注漿圈滲透系數(shù)時(shí)計(jì)算工況

4.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖7 不同圍巖與注漿圈滲透系數(shù)比值情況下

圖7列出了不同比值p情況下的孔隙水壓力分布。由圖7可知，隨著p值的增大，注漿圈阻水效果顯著提高。當(dāng)p=1時(shí)，圍巖孔隙水壓力呈漏斗狀分布，臨近隧道處圍巖水壓較小，但水壓等高線變化較大，隧道開挖對臨近水系統(tǒng)擾動較大。當(dāng)p=10時(shí)，等高線趨于水平，僅僅在隧道部位稍有下降。當(dāng)p=30時(shí)，圍巖水壓等高線呈接近水平狀態(tài)。當(dāng)p=50以后，注漿圈滲透系數(shù)的改變不再對圍巖水壓等高線有影響，且隧道開挖輪廓線附近水壓接近零?？梢妵鷰r和注漿圈滲透系數(shù)的合理比值為30～50。

4.3 施工效果檢驗(yàn)

采用上述計(jì)算結(jié)果對澤雅隧道涌水進(jìn)行處治，處治前隧道大量涌水如圖8(a)所示；在掌子面底部進(jìn)行打孔和徑向注漿后，初支無滲水出現(xiàn)如圖8(b)所示，僅有掌子面底部有水涌出，將從兩側(cè)排水溝排除后，不影響正常施工。處治效果較好。

圖8 涌水處治效果對比

5 結(jié)論

針對澤雅隧道穿越F10段施工中遇到的涌水問題，選取一典型斷面進(jìn)行不考慮流固耦合和考慮流固耦合2種工況的隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行對比分析，并進(jìn)行了處治措施比選及優(yōu)化，該計(jì)算結(jié)果有效的指導(dǎo)了施工。主要結(jié)論如下。

(1)考慮流固耦合情況后，襯砌總應(yīng)力最大值增幅為52.15%，最大彎矩增幅為75.4%；考慮流固耦合后圍巖塑性區(qū)范圍擴(kuò)大明顯，其中仰拱處圍巖塑性區(qū)徑向最大值由3.5 m增至6 m，增幅達(dá)71.4%。滲流的存在對襯砌安全性影響較大。

(2)采取泄水加徑向注漿處治措施時(shí)，該隧道徑向合理注漿圈厚度為5～7 m，圍巖與注漿圈滲透系數(shù)的合理比值為30～50，在此基礎(chǔ)上增加注漿圈厚度、提高注漿圈的抗?jié)B系數(shù)，對隧道開挖輪廓線附近水壓改變效果不明顯。

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Fluid Solid Coupling Analysis and Water Treatment Measures of a Tunnel in Fault Section

WANG Chao

(The Fifth Engineering Co.， Ltd.， China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group， Chengdu 610500， China)

The numerical model is established with ABAQUS numerical analysis software to analyze the mechanical characteristics of the tunnel lining and determine whether the fluid solid coupling is required， with a view to the rock breaking and heavy water gushing where Zeya tunnel passes through F10 a fault section. The seepage causes the tunnel lining stress to increase totally by 52.15% and an increase of 75.4% lining moment. Based on the great impact of water surge on tunnel mechanical property and the actual situation of tunnel surge water， the drainage hole with ring radial grouting is applied and ring grouting thickness and grouting material permeability coefficient are optimized by means of numerical analysis. The results show that the grouting layer thickness of 5～7 m and grouting material permeability coefficient of 30 ～ 50 times of surrounding will have a better construction result. The analysis results can be used to guide construction and provide reference for similar projects．

Tunnel gushing; Numerical analysis; Treatment measures; Grouting parameters

2016-04-26；

2016-05-07

王 超(1983—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：517459684@qq.com。

1004-2954(2016)12-0109-05

U459.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.024