水位與進(jìn)尺及支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)富水隧道穩(wěn)定性的影響

黃戡，楊偉軍，安永林，胡文軒，李依，傅蕾，周經(jīng)偉，邱朗

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水位與進(jìn)尺及支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)富水隧道穩(wěn)定性的影響

黃戡1，楊偉軍1，安永林2，胡文軒2，李依1，傅蕾1，周經(jīng)偉1，邱朗1

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410114； 2. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

以實(shí)際富水隧道為參考背景，通過不同水位、支護(hù)、開挖條件建立三維數(shù)值模擬，分析富水隧道在不同條件下的穩(wěn)定性及圍巖變形。研究結(jié)果表明：地表沉降和開挖面的水平位移均隨著水位的上升而增加，并且水位越接近地表，地表沉降和開挖面的水平位移增加得越明顯；支護(hù)在滯后2.5 m時(shí)，相應(yīng)的拱頂沉降和塑性區(qū)與及時(shí)支護(hù)條件下相差不大，但在支護(hù)滯后5.0 m時(shí)，拱頂沉降和塑性區(qū)域顯著增大，并且塑性區(qū)向上部圍巖蔓延；隨著進(jìn)尺增加，圍巖位移與塑性應(yīng)變?cè)龃?；隨著滲流時(shí)間增加，掌子面前方的孔隙水壓力逐漸減少，逐漸呈現(xiàn)漏斗狀分布。

富水隧道；水位線；支護(hù)；開挖方法

隧道開挖常常會(huì)穿越軟弱、富水地層[1]。 HWANG等[2]用半理論半經(jīng)驗(yàn)公式分析了隧道的滲流；NAM 等[3]分析了水位以下襯砌的應(yīng)力； RAPOSO等[4]基于水平衡法定量評(píng)價(jià)了施工引起的地下水影響；LI等[5]介紹了一種隧道新型排水收集系統(tǒng)；BRATTLI等[6]分析了具有遇水膨脹圍巖隧道的受力特性；AHN等[7]研究了隧道注漿設(shè)計(jì)。榮傳新等[8?9]推導(dǎo)了滲流影響的理論解；趙琨[10]基于數(shù)值模擬分析了滲流對(duì)隧道的影響；胡文軒[11]應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值分析方法研究了富水隧道掌子面的穩(wěn)定性；安永林等[12]分析了水下并行隧道施工后行洞對(duì)先行洞的影響；賈瑞華等[13?14]應(yīng)用流固耦合理論對(duì)江底盾構(gòu)隧道和深埋隧洞進(jìn)行了分析；張忠苗等[15]研究了杭州慶春路過江隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制等問題；洪開榮[16]對(duì)廣深港大斷面特長水下盾構(gòu)隧道的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析；曹成勇 等[17]基于極限分析以及數(shù)值模擬分析了淺埋透水地層泥水盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力。本文作者以某富水隧道為依托，進(jìn)行三維建模[18?20]，分析不同的水位條件下和不同的開挖進(jìn)尺以及不同支護(hù)條件下隧道的穩(wěn)定性和圍巖變形。

1 工程概況與模型的建立

1.1 工程概況

依托工程是貴州畢節(jié)至二龍關(guān)高速公路水箐隧道，位于貴州畢節(jié)市水箐鎮(zhèn)。該隧道為分離式隧道，左幅隧道起、終點(diǎn)樁號(hào)分別為ZK15+272和ZK16+715，長度為1 443 m；右幅隧道起、終點(diǎn)樁號(hào)分別為YK15+270和YK16+717，長度為1 447 m。隧道平縱線形和隧道凈空斷面標(biāo)準(zhǔn)按高速公路設(shè)計(jì)速度80 km/h設(shè)計(jì)。隧道建筑限界凈寬為10.25 m，隧道建筑限界凈高為5.0 m。

場區(qū)上覆土層為第四系殘坡積層黏土、粉質(zhì)黏土、碎石土等；下伏基巖包括：二疊系下統(tǒng)灰?guī)r；二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組玄武巖；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層；三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組粉砂質(zhì)泥巖。

1.2 數(shù)值模型的建立

1.2.1 模型的邊界條件、網(wǎng)格劃分及材料參數(shù)

模型長×寬×高為60 m×40 m×30 m。根據(jù)地質(zhì)情況將圍巖(V級(jí))作為1個(gè)地層進(jìn)行處理，本構(gòu)模型采用摩爾?庫侖模型。模型四周以及底部固定法向位移，上表面為自由面。前后和底面設(shè)置為不透水邊界，水位線處的孔隙水壓力設(shè)為0 Pa[10?12]。其網(wǎng)格劃分和各材料參數(shù)見圖1和表1。

(a) 數(shù)值模型；(b) 分析點(diǎn)

1.2.2 模型分析步驟

模型的開挖方式采用上下臺(tái)階法。每一步開挖前對(duì)其加固區(qū)的彈性模量提高60%，內(nèi)摩擦角提高10°，黏聚力提高30%，以等效模擬超前支護(hù)和錨桿的作用。每步開挖完成后及時(shí)噴漿進(jìn)行初支，在隧道貫通后統(tǒng)一進(jìn)行二襯施工。

在地應(yīng)力平衡分析時(shí)，凍結(jié)灌漿和二襯的單元，在后面的分析步中再依次激活。圍巖加固區(qū)的模擬通過溫控法實(shí)現(xiàn)?；炷烈约岸r和土層均采用TIE約束綁定。

2 不同水位條件下數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 孔隙水壓力場

在不同水位條件下，開挖到參考掌子面時(shí)的孔隙水壓分布云圖如圖2所示。

在不同水位條件下，掌子面前方的孔隙水壓力變化如圖3所示。隨著隧道開挖的進(jìn)行，在掌子面附近出現(xiàn)負(fù)的孔隙水壓力，地下水在水頭差的作用下涌入隧道，影響隧道的正常施工，并且其影響范圍隨著水位上升有明顯的擴(kuò)大趨勢。在初始水位高于隧道開挖面的情況下，其最大負(fù)孔隙水壓力均出現(xiàn)在掌子面后方，而在初始水位線位于隧道開挖面下部時(shí)，隧道內(nèi)的最大負(fù)孔隙水壓力出現(xiàn)于開挖面上。在開挖過程中，其孔隙水壓力分布大致成漏斗狀，并且這一特點(diǎn)隨著水位的上升表現(xiàn)得尤為明顯。

表1 圍巖和支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)

地下水位/m：(a) 0；(b) ?10；(c) ?20

當(dāng)水頭高度為0 m時(shí)，負(fù)孔隙水壓力較小，影響范圍到掌子面前方3 m處，而后才出現(xiàn)正值。而當(dāng)水位為?10 m時(shí)，負(fù)孔隙水壓力的影響范圍到達(dá)掌子面前方5 m處，而后才出現(xiàn)正值。當(dāng)水位為?20 m時(shí)，負(fù)孔隙水壓力的影響范圍到達(dá)掌子面前方8 m處，而后才出現(xiàn)正值，并且正值的量值不大。

地下水位/m：1—0；2—?10；3—?20。

2.2 位移場

不同水位條件下地表的沉降分布云圖以及地表沉降分別如圖4和圖5所示。從圖5可見：圍巖變形及地表沉降均隨著地下水位的提高而增大；在地下水位為?10 m和?20 m時(shí)，其最大地表最大沉降分別為 12.53 mm和9.64 mm，并且其他各參考點(diǎn)的沉降相差不大；但在地下水位位于0 m時(shí)，地表最大沉降突增至33.57 mm，并且各點(diǎn)的沉降量均較前2種情況有較大增加。

(a) 0 m地下水位；(b) ?10 m地下水位；(c) ?20 m地下水位

不同水位條件下的掌子面中心線位移如圖6所示。從圖6可見：隨著水位增高，掌子面的水平位移和豎向位移均有增大，且增大的速率也有較明顯提升。由此可知，掌子面的變形主要為水平方向的變形。

地下水位/m：1—0；2— ?10；3— ?20。

(a) 水平位移；(b) 豎向位移

不同水位條件下的開挖面各參考點(diǎn)的水平位移如圖7所示。從圖7可見：在地下水位為?10 m和?20 m時(shí)，開挖面的最大水平位移均出現(xiàn)在右邊墻處，并且兩者相差約為2.5 mm；但在地下水位為0 m時(shí)，開挖面的最大水平位移相差突增到21.4 mm，并且其他參考點(diǎn)的最大水平位移均較前2種情況有較明顯提高。

圖7 不同水位條件下的開挖面各參考點(diǎn)的水平位移

3 不同支護(hù)時(shí)機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 位移場

不同支護(hù)時(shí)機(jī)下的沉降云圖和拱頂沉降分別如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可見：隨著隧道開挖的進(jìn)行，圍巖的最大沉降均發(fā)生在初始開挖面的拱頂處，在及時(shí)支護(hù)的條件下其變形僅為29.5 mm，在支護(hù)滯后2.5 m時(shí)，變形只為31.1 mm，可見超前支護(hù)和噴漿層能夠較好地控制了圍巖的變形；而在支護(hù)滯后5.0 m時(shí)，圍巖的最大沉降劇增到265.3 mm。

不同支護(hù)條件下的掌子面中心線位移如圖10所示。從圖10可見：無論是掌子面中心線的水平位移還是豎直位移，在及時(shí)支護(hù)和支護(hù)滯后2.5 m時(shí)，其值相差不大，豎向位移近似為同一曲線；但當(dāng)支護(hù)滯后5.0 m時(shí)，掌子面的最大水平位移突增到162.0 mm，最大沉降突增到38.0 mm。

在不同支護(hù)條件下，開挖面各參考點(diǎn)的水平位移如圖11所示。從圖11可見：在及時(shí)支護(hù)和支護(hù)滯后 2.5 m時(shí)，其最大水平位移均發(fā)生在右邊墻并且相差不大，約為5.0 mm；而在支護(hù)滯后5.00 m時(shí)，右邊墻的水平位移突增到11.64 mm，并且其最大值出現(xiàn)在右拱肩處，為11.74 mm。其他各參考點(diǎn)的水平位移均較前2種情況有顯著增大。

(a) 及時(shí)支護(hù)；(b) 支護(hù)滯后2.5 m；(c) 支護(hù)滯后5.0 m

1—及時(shí)支護(hù)；2—支護(hù)滯后2.5 m；3—支護(hù)滯后5.0 m。

(a) 水平位移；(b) 豎向位移

3.2 塑性區(qū)

不同支護(hù)條件下的塑性區(qū)應(yīng)變分布云圖如圖12所示。從圖12可見：在隧道的開挖過程中，塑性區(qū)的分布主要集中在開挖面以及開挖面后方的拱腰附近；在及時(shí)支護(hù)情況下，其最大塑性應(yīng)變?yōu)?.20，證明在超前支護(hù)和噴漿的作用下，能夠很好地控制圍巖的塑性應(yīng)變；在支護(hù)滯后2.5 m時(shí)，其最大塑性應(yīng)變也僅為0.26；但在支護(hù)滯后5.0 m時(shí)，最大塑性應(yīng)變劇增到0.58，其塑性區(qū)擴(kuò)大到拱頂并向拱頂上方的圍巖 延伸。

圖11 不同支護(hù)條件下開挖面各參考點(diǎn)的水平位移

(a) 及時(shí)支護(hù)；(b)支護(hù)滯后2.5 m；(c)支護(hù)滯后5.0 m

不同支護(hù)條件下的開挖面各參考點(diǎn)的塑性應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。從圖13可見：在及時(shí)支護(hù)和支護(hù)滯后 2.5 m的情況下，其最大塑性應(yīng)變發(fā)生在左右邊墻處，約為0.03，且這5個(gè)參考點(diǎn)在這2種支護(hù)情況下的塑性應(yīng)變都相差不大；但在支護(hù)滯后5.0 m時(shí)，左、右邊墻的塑性應(yīng)變達(dá)0.05，左、右拱肩的塑性應(yīng)變高達(dá)0.07。

圖13 不同支護(hù)條件下開挖面各參考點(diǎn)的塑性應(yīng)變

4 不同開挖進(jìn)尺下的數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 地面沉降與掌子面位移

不同開挖進(jìn)尺下的地面沉降見圖14。從圖14可見：隨著進(jìn)尺增加，引起的地表沉降也有一定程度增大。如當(dāng)進(jìn)尺為1.0，2.5和4.0 m時(shí)，當(dāng)前開挖所引起的最大地表沉降分別為0.92，1.02和1.21 mm。因此，對(duì)于進(jìn)尺較大的富水隧道，在實(shí)際施工中，要注意對(duì)地表沉降量的控制。

不同開挖進(jìn)尺下的掌子面水平位移見圖15。從圖15可見：隨著進(jìn)尺增加，掌子面水平位移隨之增大。在掌子面高度為3 m處位移增大明顯，當(dāng)進(jìn)尺為1.0，2.5和4.0 m時(shí)，當(dāng)前開挖所引起的掌子面最大水平位移分別為39.50，62.70和78.90 mm。

4.2 塑性區(qū)

當(dāng)隧道開挖到參考掌子面時(shí)，當(dāng)前開挖所引起的參考掌子面各參考點(diǎn)的塑性應(yīng)變?nèi)绫?所示。從表2可見：

1) 隨著進(jìn)尺增加，參考掌子面各參考點(diǎn)的塑性應(yīng)變均有一定程度提高，如當(dāng)進(jìn)尺為1.0 m時(shí)，拱頂?shù)乃苄詰?yīng)變?yōu)?.007，而當(dāng)進(jìn)尺為4.0 m時(shí)，拱頂?shù)乃苄詰?yīng)變?yōu)?.015；當(dāng)進(jìn)尺為1.0 m時(shí)，左拱肩的塑性應(yīng)變?yōu)?.003，而當(dāng)進(jìn)尺為4.0 m時(shí)，左拱肩的塑性應(yīng)變?yōu)?.011。

進(jìn)尺/m：1—1.0；2—2.5；3—4.0。

進(jìn)尺/m：1—1.0；2—2.5；3—4.0。

表2 各參考點(diǎn)的塑性應(yīng)變

2) 左、右邊墻的塑性應(yīng)變相等，左、右拱肩的塑性應(yīng)變相差不大，最大塑性應(yīng)變均出現(xiàn)于拱頂位置。因此，在實(shí)際施工中，若進(jìn)尺大于2.5 m時(shí)，應(yīng)注意對(duì)掌子面拱頂和左、右拱肩位置的支護(hù)。

5 地下水動(dòng)態(tài)滲流影響

孔隙水壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律見圖16。從圖16可見：當(dāng)?shù)叵滤l(fā)生滲流前，孔隙水壓力大致呈層狀分布；隨著滲流時(shí)間增加，掌子面前方的孔隙水壓減小，漏斗狀的孔隙水壓力分布越明顯。

豎向路徑孔隙水壓力分布見圖17。從圖17可見：在隧道開挖前，豎向路徑上的孔隙水壓力呈線性分布；開挖完成后，豎向路徑上各點(diǎn)的孔隙水壓力隨著滲流時(shí)間增加而逐漸減小，最后變化速率趨于穩(wěn)定，在掌子面前方10 m處，豎向路徑上各點(diǎn)的孔隙水壓力均大于掌子面處豎向路徑上各點(diǎn)的孔隙水壓力。

時(shí)間/s：(a) 0；(b) 10；(c) 50

(a) 掌子面處；(b) 掌子面前方10 m處

6 結(jié)論

1) 隨著水位升高，隧道開挖后，孔隙水壓力明顯呈現(xiàn)漏斗狀分布。圍巖變形、地表沉降以及開挖面的水平位移均增大。

2) 不同支護(hù)滯后距離影響拱頂?shù)某两怠⒄谱用娴乃轿灰埔约八苄詤^(qū)的分布。滯后2.5 m與及時(shí)支護(hù)的情況相差不大；但當(dāng)支護(hù)滯后5.0 m時(shí)，拱頂?shù)某两怠⒄谱用娴乃轿灰埔约八苄詤^(qū)的分布較前2種情況均有顯著增大。在實(shí)際施工中，應(yīng)及時(shí)對(duì)裸巖進(jìn)行噴漿初期支護(hù)，避免支護(hù)滯后距離過大，防止相關(guān)事故的發(fā)生。

3) 隨著進(jìn)尺增加，圍巖位移與塑性應(yīng)變?cè)龃?。在施工中?yīng)采用短進(jìn)尺開挖，以充分利用圍巖的自穩(wěn) 能力。

4) 隨著滲流時(shí)間增加，掌子面前方的孔隙水壓力減小，漏斗狀的孔隙水壓力分布明顯。開挖完成后，豎向路徑上各點(diǎn)的孔隙水壓力隨著滲流時(shí)間增加而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。掌子面前方10 m處豎向路徑上各點(diǎn)的孔隙水壓力均大于掌子面處豎向路徑上各點(diǎn)的孔隙水壓力。

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(編輯 陳燦華)

Influence of different water levels, footages and supporting time on the stability of rich water tunnel

HUANG Kan1, YANG Weijun1, AN Yonglin2, HU Wenxuan2, LI Yi1, FU Lei1, ZHOU Jingwei1, QIU Lang1

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Based on the actual rich water tunnel, three-dimensional numerical simulation was carried out to analyze the stability and deformation of surrounding rock under different conditions by different water levels, support and excavation conditions. The results show that the surface subsidence and the horizontal displacement of the excavation surface increase with the increase of the water level, and the closer the water level is to the surface, the more obvious the surface subsidence and the horizontal displacement of the excavation surface increase, and the vault settlement and plastic zone have little difference between the case of 2.5 m behind the support and the timely support condition, but in the case of 5.0 m behind the support, the vault settlement and plastic zone increase obviously, and the plastic zone spreads to the upper part of the surrounding rock. The surface subsidence and the plastic zone of excavation surface increase with the increase of the excavation footage. With the increase of seepage time, the pore water pressure in front of tunnel face becomes smaller and smaller, and gradually presents funnel-shaped water pressure distribution.

water rich tunnel; water level; support; excavation method

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.11.026

X501

A

1672?7207(2018)11?2843?09

2018?02?28；

2018?04?08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408216)；湖南省水利廳科學(xué)研究項(xiàng)目(CSCG-201808020002)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(14B007)；湖南省重點(diǎn)學(xué)科土木工程創(chuàng)新性基金資助項(xiàng)目(13ZDXK10)(Project(51408216) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(CSCG-201808020002) supported by Scientific Research Foundation of Water Resources Department of Hunan Province; Project(14B007) supported by Outstanding Youth Foundation of Education Department of Hunan Province; Project(13ZDXK10) supported by Innovation Foundation in Civil Engineering of Key Discipline of Hunan Province)

黃戡，博士(后)，副教授，從事隧道工程、巖土工程和城市軌道交通工程研究；E-mail：hk_616@sina.com