顶部充水溶洞隧道施工围岩位移特征分析

󰀁文章编号:1671-2579(2010)05-0232-05

中󰀁外󰀁公󰀁路

第30卷󰀁第5期

2010年10月顶部充水溶洞隧道施工围岩位移特征分析

王皓

(成都大地工程开发有限公司,四川成都󰀁611731)

摘󰀁要:选取忠垫高速公路某岩溶隧道为研究对象,建立岩溶隧道三维实体模型,利用软件FLAC3D对拱顶部存在充水溶洞的隧道施工过程中的围岩位移特征进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行了比较分析。研究结果表明:隧道拱顶处围岩竖向位移最大、拱肩处次之;水平位移以边墙部为最大,拱肩处水平位移先向隧道内变形,后向隧道外变形。

关键词:隧道工程;充水溶洞;围岩位移;数值模拟;现场测试

󰀁󰀁在富水岩溶地区进行隧道工程施工时,由于隧道开挖,从而形成充水溶洞-围岩-隧道空间的结构,围岩在充水溶洞内水压力作用下,使充水溶洞与隧道间

围岩发生较大的向隧道空间方向的位移,如果这种位移过大有可能导致该处围岩失稳,引发突水事故。如宜万铁路野三关隧道在DK124+602处的侧部存在一隐伏高压充水溶腔,在清碴时,隧道侧部围岩突水失稳,引发突水,造成重大的人员伤亡事故。因此,对于周围存在高压充水溶洞的隧道在施工过程中的围岩位移规律的研究非常必要。而目前国内外对于隧道围岩突水失稳的机理的研究几乎是空白。因此,笔者选取忠垫高速公路某岩溶隧道(水压充填溶洞位于隧道顶部)为研究对象,利用有限差分软件FLAC并结合围岩变形的现场量测,对顶部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩位移问题进行研究。

3D

经勘探,在里程YK6+128.8~YK6+150.6内存在一高压充水溶洞;溶洞横断面类似于椭圆形,纵断面(沿隧道轴向)类似于足球场形状。溶洞走向基本上与隧道平行且在隧道设计线的拱顶部。该溶洞内充满岩溶水,经测定水压力在0.73~0.MPa之间。溶洞的纵向跨度(沿隧道轴向)为13.5~15.8m,溶洞的其他尺寸及其与隧道的位置关系如图1所示。

1󰀁隧道地质概况

忠垫高速公路某隧道起讫里程为YK5+632.5~YK6+997.6,全长1365m。隧道净宽为12.70m,净高为10.01m。根据地质勘察资料,隧区内主要地层为娄山关群第一段,为灰色、深灰色中厚层至薄层状白云岩、泥质白云岩、夹角砾状白云岩,细晶结构,岩溶、裂隙发育;隧道穿越的围岩条件比较复杂,涵盖󰀂~ 级围岩。不良地质主要有岩溶、瓦斯、断层破碎带等;特别是隧道涌水量大、断层、充水溶洞、暗河多,治水防水难度大,极易发生突泥、突水。

收稿日期:2009-12-21

作者简介:王皓,男,硕士,高级工程师.E-mail:mych86@163.com

图1󰀁拱顶部水压充填型岩溶隧道断面图(单位:m)

隧道采用上下台阶法施工,特殊地段采用微震爆破,严格控制超欠挖,初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺。系统锚杆采用󰀁25mm砂浆锚杆,纵向间距1.5m,环向间距0.4m,每根长3.0m;采用间距@20cm!@20cm,󰀁6.5mm钢筋网;喷射混凝土为C20,厚25cm。二次衬砌为C25模筑混凝土,厚50cm。在充

水溶洞及影响区段,设置全环∀20钢架,间距0.5~1.0m/榀;在隧道拱部设置长20~25m、倾角为2#~3#,环向间距为0.4m的󰀁108mm注浆长管棚。在一般地段,设置全环I18钢架,间距1.2m/榀。

󰀁2010年第5期󰀁王皓:顶部充水溶洞隧道施工围岩位移特征分析󰀁233󰀁面为隧道拱顶已经存在充水溶洞,且位于充水溶洞的

2󰀁三维数值模拟分析

2.1󰀁充水溶洞的简化及数值模型的建立

根据溶洞勘察资料,把溶洞简化为半椭球+椭圆柱+半椭球形状。计算时取隧道轴线方向为y轴,水平面内垂直隧道轴线方向为x轴,铅直向上为z轴。计算范围取为:-50∃x∃50m、0∃y∃105m、-40∃z∃40m。计算区域划分成71172个单元,76753个节点,能够保证计算具有足够的精度。计算模型如图2所示。

正中部。目标断面及断面特征位置的设置见图3。

图3󰀁目标断面及隧道拱圈特征位置的设置(单位:m)

3󰀁计算结果与分析

3.1󰀁目标断面围岩位移特征

图4为y=52.5m断面上、下台阶开挖后围岩位移云图;表2为y=52.5m断面上、下台阶开挖后隧道周边特征位置最终位移计算值。

图2󰀁顶部存在充水溶腔的隧道模型(1/2)

岩体的初始地应力场考虑了自重应力和构造应

力,侧压系数取为0.47。隧道围岩材料按均质弹塑性来考虑,采用Mohr-Coulomb塑性准则,开挖采用Null模型,喷混凝土层采用空间壳结构单元。二次衬砌采用实体单元,本构模型为弹性。考虑施作锚喷支护和注浆加固对围岩岩性的改善,在模拟时适当提高加固区围岩的参数。溶洞内水压取为0.8MPa,沿溶洞内表面径向施加。具体围岩和支护结构力学参数如表1所示。

表1󰀁围岩和支护结构力学参数

项目围岩加固区喷混凝土二次衬砌

重度/

内摩擦粘聚力/

MPa0.0.63--剪切模

体积模

图4󰀁y=52.5m断面隧道围岩位移云图

由图4和表2可以看出:

(1)顶部水压充填型岩溶隧道开挖后,围岩向临空面发生回弹变形,总体上表现为:拱顶下沉位移最大,拱肩下沉位移次之,仰拱底向上隆起位移再次,两侧边墙和墙脚处位移较小。具体竖向位移:拱顶(-32.0mm)>拱肩(-12.703mm)>仰拱底(9.453mm)>边墙(2.875mm)>墙脚(0.361mm);水平位移:边墙(2.875mm)>拱肩(-0.442mm)>墙脚(0.361mm),由于隧道结构对称,拱顶和仰拱底两处水平位移为0。

(2)上台阶开挖后,拱顶下沉位移为-26.508mm,约占拱顶总位移的80%,表明拱顶充水溶洞与隧道间的下沉位移主要集中发生在上台阶开挖的过程中。因此,要减少拱顶处的下沉位移则应采用超前预支护,同时及时加强初期支护。(kN%m-3)角/(#)

23.024.525.025.5

3335--

量/GPa量/GPa0.5380.8169.22111.042

1.1671.33313.39314.722

2.2󰀁研究断面的确定

根据现场实际施工情况及对所研究断面(目标断面)的影响大小,将模型分为36段开挖。中间断面为研究的目标断面,即模型中的y=52.5m断面,此断󰀁234󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第30卷󰀁表2󰀁y=52.5m断面隧道周围特征位置位移计算值

开挖步上台阶开挖

位移水平位移竖向位移水平位移竖向位移

拱顶0-26.508

0-32.0

拱肩-0.352-9.436-0.442-12.703

边墙-0.50.8352.875-3.7

墙脚--0.3611.052

mm仰拱底--09.453

下台阶开挖

󰀁󰀁以上分析表明:在拱顶部水压力作用下,隧道拱顶部会发生较大的竖向位移;当该处围岩变形达到某一临界值时,拱顶处围岩向隧道内突出,引起围岩失稳,从而引发突水突泥事故。

3.2󰀁拱顶围岩竖向位移随开挖步的变化规律

图5为拱顶处两段地层位移随开挖步的位移曲线。

从图5(b)可以看出:从拱顶到溶洞底间围岩的A1点和A2点随开挖步的位移曲线完全重合,说明溶洞与拱顶间的围岩几乎是发生同样大的下沉位移。另外,曲线呈反&S∋形分布,在第15开挖步以前,下沉位移非常小,在第15~21开挖步,每开挖一步,均产生较大的位移,尤其在第17~20开挖步产生的位移

最大,约占总位移的80%。此外,在隧道目标面未开挖前,其沉降值约占总沉降值的30%,现场量测应加入此部分的沉降数据。

从图5(c)可以看出:竖向位移从溶洞顶部到模型表面地层呈由大到小的变化趋势,但这种趋势不明显。其围岩位移随着开挖步的进行竖向位移逐渐增大。还可以看出:两段岩层的最终竖向位移值也相差非常大,前者是后者的5倍左右。

3.3󰀁拱圈地层特征点位移随开挖步的变化特征

为得出目标断面隧道拱圈外侧地层的位移变化规律,此处选定图3所示的特征点,给出其位移随开挖步的变化曲线图,如图6所示。

图5󰀁拱顶地层沉降随开挖步的变化曲线

图6󰀁隧道拱圈特征点位移随开挖步的变化曲线

󰀁󰀁从图6(a)可以看出:拱顶和仰拱底在整个开挖过程中不产生任何水平位移;第16开挖步以前,拱肩、边

󰀁2010年第5期󰀁王皓:顶部充水溶洞隧道施工围岩位移特征分析󰀁235󰀁墙和墙脚处的水平位移均非常小,从第16开挖步开始,3处的水平位移增大,尤其是边墙处增长得最快,到第20开挖步,3处水平位移均达到最大值,边墙处为2.96mm、拱肩处为0.74mm、墙脚处为0.65mm;从第21开挖步开始,3处水平位移均有所减小,其中,拱肩处减幅最大,墙脚处次之,边墙处最小,到第22开挖步结束后,边墙处为2.84mm、拱肩处为-0.48mm、墙脚处为0.43mm;第22开挖步以后,3处的水平位移受开挖步的影响非常小。

从图6(b)可以看出:第16开挖步以前,5处特征点的竖向位移均较小,从第16开挖步开始,5处的竖向位移增大,到第22开挖步结束时,其位移总量均占各自总位移的80%以上。另外,拱顶处围岩竖向位移最大,约为仰拱底的2.8倍,拱肩的3.5倍,边墙的8.5倍和墙脚的30倍,因此拱顶的沉降应作为围岩沉降的控制点。

从图6(c)可以看出:第12开挖步以前,5处特征点的轴向位移均较小,从第13开挖步开始,5处特征点的轴向位移均增大,为负值;拱顶处在第20开挖步时反向,在第26开挖步时达到正的最大,此后略有减小。其他4个特征位置在第18~20开挖步时轴向位移略有减小,但从第22开挖步后,又逐渐增大。

图8󰀁YK6+146断面拱圈特征点竖向位移时程曲线

图7󰀁隧道监测断面布设

4󰀁围岩位移现场测试

4.1󰀁现场试验概况

现场试验量测断面分别选在YK6+117.5、YK6+136、YK6+146(对应目标断面)、YK6+156和YK6+174.5,共5个量测断面。限于篇幅,该文只选择YK6+146断面(也即数值计算中的目标断面)进行分析。测试断面布设如图7所示。为测试方便,将拱顶下沉与周边收敛位移量测点布设在同一断面上。测试仪器为高精度全站仪。测试频率:1~15d,2次/d;16d~1个月,1次/d;1~3个月,2~3次/周。

4.2󰀁现场试验结果与分析

图8、9为YK6+146断面拱圈测点竖向位移时程曲线图和水平位移时程曲线图。

从图8可以看出:隧道拱圈特征点的竖向位移大小关系:拱顶>左拱肩>右拱肩>左边墙>右边墙;拱顶竖向位移最大,是左右拱肩3倍多,是左右边墙9~10倍;左右拱肩和左右边墙的位移值并不相等,左拱肩要略大于右拱肩,左边墙要略大于右边墙。

图9󰀁YK6+146断面拱圈特征点水平位移时程曲线

从图9可以看出:左拱肩的水平位移在开挖后的前2~3d,其位移为正值,从第4d以后,位移为负值,右拱肩处的水平位移具有相反的特征,在开挖后的前2~3d,其位移为负值,从第4d以后,位移为正值,其原因是在隧道刚开挖时,左右拱肩处围岩向隧道内变形,表现为左拱肩处水平位移为正值,右拱肩处水平位移为负值,此时拱顶处的充水溶腔对左右两侧围岩影响还较小,随着围岩应力的进一步释放,围岩强度的降低,拱顶溶腔内的水压对左右两侧围岩开始产生影响,在水压的作用下,左右两侧围岩反向位移,所以左拱肩处的水平位移由正值逐渐变为负值,右拱肩处的水平位移由负值逐渐变为正值;左右边墙处的水平位移也有同样的特征,但其受拱顶充水体的影响程度要小于󰀁236󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中󰀁外󰀁公󰀁路󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第30卷󰀁左右拱肩处。

模拟结果和现场实测结果最终值的对比表。

从表3可以看出:数值计算位移值均大于现场实测值,究其原因,数值计算是开挖后立即进行监测,而

现场量测是在开挖并安装仪器后进行的,此时隧道周边围岩位移已经释放一部分。另外,数值计算位移值

5󰀁计算结果与现场试验的比较

表3为YK6+146断面隧道周围特征位置的数值

表3󰀁数值计算位移和现场实测位移比较

特征位置

计算值/mm

拱顶左拱肩右拱肩左边墙右边墙

0.0-0.4420.4422.875-2.875

水平位移

实测值/mm相对误差/%

0.31-0.42-0.412.76-2.58

1004.87.34.010.5

计算值/mm-32.0-12.703-12.703-3.7-3.7

下沉位移

实测值/mm相对误差/%-27.74-9.12-8.75-2.96-2.65

15.639.345.326.841.5

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁注:相对误差=

U计算值-U实测值

!100%。

U实测值

与现场实测值之间的相对误差最大为45.3%(拱顶除外),最小的仅为4.0%,可见数值计算与现场测试结果基本一致,说明数值模拟比较准确地反映了现场情况。

程进行仿真模拟,这样可以预先掌握开挖过程中围岩的变形规律,对可能发生的现象做到心中有数。参考文献:

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6󰀁结论

(1)拱顶部水压充填型岩溶隧道开挖后,溶洞与

隧道之间的围岩(拱顶处围岩)下沉位移最大,拱肩处次之,仰拱底处再次,边墙和墙脚处最小。

(2)从拱顶到溶洞底部的地层沉降规律是:沉降曲线呈反&S∋形分布,在本段还未开挖前已完成约20%,在施工段前后各一个施工进尺范围内(前后各约3m),此范围内的施工所引起的沉降约占总沉降的80%;从溶洞顶部到模型表面地层沉降规律是:随着开挖步的进行其竖向位移逐渐增大。溶洞底部的下沉位移为溶洞顶部下沉位移的5倍左右。

(3)对于拱圈地层位移,竖向位移以拱顶、拱肩和仰拱底为最大;水平位移以边墙部为最大,拱肩处水平位移先向隧道内变形,后向隧道外变形。

(4)现场量测结果与数值分析结果比较接近,因此在岩溶隧道施工前,可采用数值方法对隧道施工过