泥岩隧洞变形特性 FLAC 3D数值模拟分析

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  0 引言

  随着水利基础建设的发展,工程建设行业越来越多的遇到软岩或极软岩隧洞施工的一系列问题.

  在具有应力高、含水率大等特性的软岩中成功掘进隧洞的实例越来越多[1 ~3].然而,第三系泥岩浅埋水工隧洞工程实践还不多,其研究成果、治理方案及经验也较少.

  河北省保定市王快水库和西大洋水库综合管理工程是迄今为止河北省水利建设史上工程种类尤为齐全、地形地质条件特别复杂、施工难度较高的引调水工程,是通过王快水库和西大洋水库联合调度,向白洋淀及保定市一亩泉水源地调水的长距离引水工程.湾子隧洞工程是该工程的主要控制性工程,位于河北省曲阳县境内.湾子隧洞主洞长4450m,采用圆拱直墙式无压隧洞,洞宽 2. 5m,洞高 3. 35m,设计流量 10m³/ s.隧洞出口段走向为NE64°,约有长度 800m 的围岩为第三系始新统西坡里组泥岩 ( E2X) ( 见图 1) ,属极软岩,在掘进过程中发生了拱顶坍塌、片帮、整体失稳等多种不良工程地质问题.本文通过地质定性分析、FLAC3D三维数值模拟等方法,对泥岩隧洞变形及塌方的特征和机理进行了分析研究.

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  1 泥岩隧洞工程地质条件

  隧洞位于曲阳县山前丘陵区,地处太行山隆起与冀中断陷的过渡带,早第三纪时期以整体抬升为主,区域构造活动受紫荆关-灵山断裂和太行山山前断裂控制,形成了一系列北东向断层、褶皱构造格局.第四纪以来,上述断裂活动逐渐趋向微弱,近场区断裂构造均为非活动断裂.紫荆关-灵山断裂为正断层,距湾子隧洞 1km 左右,大部分地段的断层破碎带被覆盖层掩埋.

  第三系西坡里组地层倾向 NW270° ~ 300°,倾角 5° ~15°,地质构造以陡倾角张性裂隙为主.湾子隧洞泥岩段地表覆盖松散黄土状壤土,厚13 ~ 20m,中等密实,属中等压缩性土,无湿陷性,土体稳定性较好,渗透系数 8. 3 ×10^- 6~ 2. 4 × 10^- 4cm / s,透水性属中等至微透水.

  2 泥岩隧洞变形特性 FLAC3D数值模拟分析

  采用 FLAC3D有限差分程序进行模拟,分析浅埋泥岩隧洞的变形特性,该程序的基本原理与离散元相似,但有限差分程序可以对连续介质进行大变形分析,特别适合研究软岩的大变形问题.

  2. 1 数值模型

  湾子隧洞出口为人工陡坡地形,坡高 15 -20m,坡度 39°左右,隧洞出口位于坡底.该洞段原设计初期支护采用钢筋格栅拱架、钢筋网片、喷混凝土联合支护的方法,厚度为 20cm; 永久衬砌采用钢筋混凝土,厚度为 40cm.数值模型横向取10 倍洞径,洞口向上游方向取 150m,洞口向下游方向取60m.模型总共划分为25140 个单元,27561个结点.钢筋格栅拱架及喷混凝土综合效用等效为360 个 block 实体单元,锚杆等效为 400 个 cable 单元,计算网格见图 2.

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  采用理想弹塑性模型和摩尔-库仑破坏准则,除原地表为自由边界外,模型底部为固定约束边界,模型四周为单向边界,仅考虑自重应力产生的初始应力场.

  根据地质勘察成果,参考工程经验,数值模拟分析参数选取为: 泥岩天然密度 2. 12g/cm³,内摩擦角 15. 7°,粘聚力 2. 2 × 10^4Pa,泊松比 0. 36,杨氏模量 1. 2 ×10^7Pa.数值模拟分析时考虑地下水渗流作用,进行流固耦合计算,流体体积模量 2. 9 ×10^9Pa,孔隙率近似为 0. 5,渗透系数 5. 9 × 10^- 7m / s.

  2. 2 计算结果分析

  泥岩隧洞全断面采用挖掘机开挖,简化为全断面分段开挖,步长为 3. 0m 进行仿真计算,分别按无支护、考虑初期支护等工况进行模拟计算.

  ( 1) 无支护工况不考虑初期支护作用的条件下,数值模拟开挖至 15m 后模型网格变形过大而无法继续计算.

  分析其地质条件,泥岩饱和单轴抗压强度0.26 ~2. 49MPa,属极软岩,天然状态下呈硬、可塑至硬塑状,炭质软弱夹层呈褐色至灰黑色,呈可塑状.

  泥岩遇水易软化,易崩解,强度低,天然状态下含水量较大,开挖后洞璧泥岩暴露在空气中易失水干裂,产生柱状裂隙,属Ⅴ类围岩[4].毛洞条件下泥岩隧洞自稳时间较短,与上述数值模拟结果一致.

  ( 2) 考虑初期支护作用工况为了模拟实际工况,模拟计算中初期支护滞后于开挖一定时间,分别按初期支护滞后掌子面 5m、10m 考虑.

  计算结果表明,初期支护滞后掌子面 10m 时,拱顶下沉位移较大,变形量随时间不断增加,即说明初期支护滞后太远,掌子面附近毛洞不能自稳;当初期支护滞后掌子面 5m 时,网格节点变形量最后趋于定值,说明该工况下围岩基本能维持稳定.

  初期支护滞后掌子面 5m 工况下,除因洞脸边坡较陡而出现潜在滑移外 ( 见图 3) ,泥岩洞室变形的主要形式为底鼓、边墙内移和拱顶下沉,并且变形范围及变形量随掌子面掘进而向前发展.

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  数值模拟显示,距隧洞出口 80m 处的横断面上,垂向位移 ( 见图 4) 主要表现为底鼓和拱顶下沉,并具有左右两侧近似对称的特点,拱顶下沉位移量总体小于底鼓位移量,两侧边墙铅垂向位移很小; 其径向水平位移 ( 见图 5) 主要表现为两侧边墙呈近似对称的内缩收敛变形,变形量最大值位于两侧边墙,拱顶和底板处的水平位移很小.

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  数值模拟结果显示,泥岩隧洞底鼓最大位移量大于边墙内移位移量,拱顶下沉位移量相对较小.

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  分析主要原因是,初期支护时底板尚未封闭,随着底鼓变形的发展,造成边墙底脚失稳,两侧边墙随之发生内移,最后影响到拱顶岩体的稳定性.

  锚梁网和拱架联合支护方法是应力转化多、围岩强度保护好的一种支护技术[5 ~7],如及时进行永久衬砌,这类围岩的有害变形是完全可以控制的.

  3 主要工程地质问题

  3. 1 软弱夹层引起的拱顶塌方

  该隧洞部分洞段分布有炭质软弱夹层,厚 5 ~20cm,呈软塑状态.当软弱夹层出露于拱顶时,拱顶岩体自稳时间减少,拱顶易发生剥皮状塌方.初期支护应紧跟掌子面,必要时增加超前支护.但软弱夹层常常含水量较大,多呈可塑状态,如仍按原设计断面进行初期支护,拱顶软弱夹层塌落料堆积于初期支护之上,增加支护所承受的荷载,而且支护与围岩间存在过大间隙,两者协同作用和拱形良好的受力性能降低,不利于隧洞拱部的长久稳定.类似工程地质条件下的某引水隧洞,曾采用木板、废弃轮胎等充填塌方后的空腔,在永久衬砌后隧洞依然发生大型塌方.

  比较理想的处理措施是,清除拱顶外露的软弱层,将拱架支撑在性能相对较好的泥岩地层之上.但应根据洞室断面及时调整拱架形状,施工难度较大.

  3. 2 陡倾角张性裂隙易造成楔形塌方

  隧洞距紫荆关-灵山断裂正断层 1km 左右,隧洞出口段第三系地层倾角 5° ~ 15°,地质构造以张性裂隙为主,倾角大于 70°,走向与洞轴线夹角一般小于 45°,延伸长度大于 5m.由于泥岩强度低,在陡倾角节理和裂隙影响下,易在构造面以下至边墙之间形成楔形状塌方 ( 见图 6) .塌方发生突然,易给施工人员造成伤害.本工程总结的经验是,施工时应重视地质条件分析,在掌子面附近发现类似节理或裂隙时,拱顶应增加超前锚杆支护,这在隧洞施工中取得了良好的预防效果.
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  3. 3 地下水引起的工程地质问题湾子隧洞出口段埋深浅,地表壤土层局部含角砾,具强透水性,地下水多分布于壤土与泥岩结合处.洞顶岩体厚 3 ~ 19m,赋存于地表壤土层中的孔隙潜水接受降雨入渗补给和两侧沟谷侧向补给,受季节影响较大.下部泥岩一般含水量较大,特别是在地表壤土层厚度大、拱顶泥岩厚度小的洞段,拱部稳定性较差.

  泥岩隧洞开挖后,洞壁岩体暴露在空气中易失水干裂,产生柱状裂隙,易产生剥落或掉块现象.该类岩体易开挖成洞,但易产生塑性变形,应及时采取衬砌措施.

  3. 4 极软岩隧洞极易发生整体失稳

  湾子隧洞自出口向上游掘进 86m 后,掌子面附近约 50m 的洞段发生了整体失稳,即拱顶下沉、边墙内移、底板起鼓 ( 见图 7) ,变形位移量达 10 ~70cm; 初期支护表面分布多条环向裂缝,对应的地表塌陷,出现多条纵向裂缝,宽 12 ~ 20cm,长达8 ~ 25m.

  隧洞整体失稳的主要原因是,由于该洞段初期支护底板未及时封闭,也未进行永久衬砌,当掌子面附近的毛洞拱顶发生塌方,塌方高度大于 10m时,拱顶围岩形成垂向临空面,泥岩向临空面发生塑性变形,变形自掌子面向后发展,拱顶塌方发生5h 后最终导致附近洞段整体失稳.工程实践表明,初期支护底板及时封闭和施作永久衬砌对确保软岩隧洞稳定十分重要[8,9].采用 FLAC3D数值计算模拟上述工况,当掘进85m 后挖除拱顶岩体继续运算,计算 12 步后模型畸变而无法计算.可见数值模拟分析结果与该隧洞实际开挖情况相符.

  3. 5 底板支护滞后引起的工程地质问题

  从安全角度考虑,泥岩隧洞应及时进行全封闭支护,但底板与拱墙初期支护同时施工,由于混凝土存在养护期,会制约工程的施工进度.因此,拱墙部位的初期支护一般及时跟进掌子面,而对底板起封闭性的初期支护经常远远滞后,因此造成诸多不良工程地质问题,比如边墙底脚内移、片帮 ( 见图 8) 及底板起鼓,底板裸露的泥岩经施工车辆碾压后常形成弹簧土,影响隧洞支护与衬砌质量.比较理想的方法是,及时封闭底板,并在底板混凝土之上铺设可重复利用的钢板,用以保护新浇注的混凝土和及时进行下道工序的施工.

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  3. 6 极软岩隧洞掘进方面的问题

  泥岩地层多呈可塑至硬塑状态,坚固系数0. 6 ~ 1. 0,围岩类别为Ⅴ类[4],一般无法采用常规爆破法开挖.本工程起先采用人工手持风镐、分上下台阶开挖,但人工开挖速度慢,分上下台阶开挖工序穿插多,不满足施工进度要求.后来引进了EBZ 型单臂隧洞岩石掘进机,但存在的问题是泥岩含水量大,泥岩粘在钻头臂上降低了切割效率,且泥岩底板承载力太低,掘进机陷入底板无法行走.最后选用小型挖掘机,取得了比较理想的效果.

  4 结论

  通过上述分析研究,得出的主要结论有以下几点.

  ( 1) 极软岩隧洞变形的主要形式为底鼓、边墙内移和拱顶下沉.初期支护底板不封闭时,泥岩隧洞变形最初体现为底鼓,然后为边墙内移及拱顶下沉.

  ( 2) 软弱夹层、张性裂隙、地下水等不良地质因素,以及底板初期支护滞后等施工因素,对泥岩隧洞稳定性存在明显的不利影响,极易引起拱顶塌方、片帮甚至整体失稳.极软岩隧洞初期支护应紧跟掌子面,并及时进行永久衬砌.

  ( 3) 小型挖掘机应用于小断面泥岩隧洞能取得比较理想的效果.

  ( 4) 极软岩极易发生大变形而造成工程事故,有必要采用超前探测[10]或其它可行的监控量测手段,以便及时发现围岩变形异常情况,及时预警并采取必要措施.

  参 考 文 献

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