高水位下软弱破碎带围岩开挖变形分析*

2018-04-23宋振余毛安琪易山山

交通科技 2018年2期

宋振余毛安琪易山山

(1.广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心揭阳 515325； 2.中国建筑科学研究院北京 100013； 3.华中科技大学土木工程与力学学院武汉 430074)

弱质岩体在大自然的作用下发育着大量的裂隙、孔隙和节理面，由于这些裂隙的存在，为地下水活动提供了相应的空间，同时对岩体的完整性造成了一定的影响[1-2]。地下水通过渗流效应改变了岩体的天然结构，从而影响到应力场的重分布，导致隧道围岩产生变形。反过来说，岩体中应力场和位移场也会导致岩体裂隙的改变，进而影响到其渗透性能。这种相互作用反复耦合直到达到某种平衡状态，称之为流-固耦合效应[3-4]。地下水在下渗过程中，易引起隧道施工现场塌方和大变形等事权和病害，对隧道施工和运营造成不利影响，因此，对弱质围岩隧道在地下水渗流效应下的开挖变形分析是亟待解决的问题。目前，对于隧道围岩应力场和渗流场耦合作用下的变形分析较少，开挖过程中的发展历程也很少研究[5-6]。

山岭隧道一般采用新奥法施工，主要靠隧道施工监控量测及时掌握围岩变形的情况以判断围岩稳定性[7]。对于高水位软弱围岩隧道，在高地应力、高水压围岩应力场与渗流场耦合作用下，隧道开挖围岩变形值很大且变形速度很快。针对高水压断层破碎带和节理发育密集带的止水注浆及穿越软弱、不良地质段的加固注浆对隧道的施工安全、施工进度及运营后的止排水等都有显著效果[8-9]，因此，结合工程实际开展高水位下破碎带围岩开挖变形规律的研究非常有必要。

1 工程概况

广东省揭阳至惠来高速公路小北山一号隧道位于丘陵区。隧道按分离式布设，左线隧道里程ZK14+390-ZK17+390，最大埋深280 m。右线隧道里程K14+380-K17+388，最大埋深270 m。

隧址区基底主要为燕山期花岗岩，局部见辉绿岩岩脉，覆盖层由黏土、全～强风岩组成，基岩由中～微风化岩组成。地下水以大气降水和山谷汇水下渗补给为主，排泄方式则以蒸发和侧向径流排泄为主。隧道在ZK16+450-ZK16+600(K16+400-K16+580)段存在F3区域大断裂，该断层处围岩破碎，裂隙发育，工程地质复杂，属于IV，V级围岩，且其上方约150 m处存在龙潭峰水库，隧道开挖过程中改变了天然地下水的补径排条件，隧道成为新的局部排泄基准，易发生塌方、涌水、水资源流失、生态环境破坏等不良情况。

小北山一号隧道软岩施工现场情况见图1。

图1 隧道软岩施工现场

2 高水位下软弱破碎带围岩开挖变形现场监测

2.1 监测项目

根据设计要求，依据小北山隧道工程的实际情况，确定了监测、监控项目的主要范围，并在实际的监测过程中予以了相应的调整和改进，本文只列出其中的必测项目，见表1。

表1 施工监测必测项目

2.2 监测方法

以上监测项目中，最主要的是拱顶下沉及水平收敛量测，也是本文分析中需要的监测数据，因此，仅对拱顶下沉及水平收敛监测方法进行介绍。

1) 拱顶下沉量测。拱顶下沉值主要用于确认围岩稳定、预报拱顶崩塌。通过使用水准仪及铟钢尺测量观测点与基准点的相对高差变化量得出拱顶下沉量和下沉速度，拱顶沉降量测与周边位移量测布置在同一断面，测点布置如图2所示。断面布置：V级围岩1个断面/10 m，VI级围岩1个断面/20 m，III级围岩1个面/30 m，II级围岩1个断面/50 m。量测频率如表2所示。

表2 现场监测数据采集频率表

2) 水平收敛量测。量测获取隧道周边位移量，以此判断隧道结构的稳定性，确定二次衬砌施作的合理时机。用收敛计量测净空收敛位移，2次测量之差即为该周边2点在该时间间隔内收敛值，根据收敛值判定隧道围岩及支护结构的变形情况。特殊地段可采用非接触量测方法协助进行量测，即在隧道周边洞壁粘贴反射膜片，利用全站仪进行周边位移观测。断面布置为V级围岩1个断面/10 m，VI级围岩1个断面/20 m，III级围岩1个断面/30 m，II级围岩1个断面/50 m。根据断面开挖方式，采取相应的测点布置，如图2所示。量测频率如表2所示。

图2 水平收敛、拱顶下沉测线布置图

2.3 现场监测数据分析

现场开挖时，断裂破碎带发生在K16+442-K16+457段，开挖进度为2 m/d。为防止围岩发生坍塌，对此段进行注浆加固并加强对此段的施工监控，此段的监控断面的布设距离由10 m减为5 m。断面1～5与现场监测时的断面K16+440，K16+445，K16+450，K16+455，K16+460基本对应，隧道监测断面位置如图3所示。

图3 监测断面位置图

K16+440，K16+445，K16+450，K16+455，K16+460断面的拱顶下沉和水平收敛监测结果如图4所示。

图4所示的监控结果表明：

1) 破碎带围岩的开挖变形规律(拱顶下沉及水平收敛)与普通等级围岩基本一致，均表现在掌子面附近时变形速度较快，远离掌子面后变形速度越来越小。

图4 各断面的监测位移场曲线图

2) 水平收敛测线a比测线b收敛值大。因为测线a在上台阶开挖后布设，测线b在下台阶开挖后布设，在上台阶开挖后，位移已得到一定程度的释放。

3) 拱顶下沉及水平收敛位移最大值均发生在K16+450处，且沿其两侧方向断面的位移值逐渐减小。

3 高水位下软弱破碎带围岩开挖变形模拟分析

3.1 模型建立

运用midas GTS NX软件，采用参数弱化法对小北山一号隧道K16+400-K16+520软弱破碎带段进行数值模拟，破碎带处于V级围岩，岩石破碎带断层宽度约12 m，倾角约为50°，隧道埋深取150 m，每次进尺的长度2 m，模拟开挖30步，模型的计算范围为120 m×120 m×210 m，整个数学模型共划分为97 679个实体单元，4 480 个板单元，17 469个节点。据地质勘探资料确定岩体的物理力学参数，采用等效连续介质模型，D-P弹塑性屈服准则。岩体采用实体单元模拟，支护结构用板单元模拟。初喷在围岩开挖后跟进施作，二衬只在开挖前20 m施作，只作为开挖前支护条件，不随开挖的进行而跟进施作，开挖网格组分布如图5所示。

图5 开挖网格组分布图

隧道埋深较大，隧道在垂直方向的初始地应力取岩体的自重，水平方向的初始地应力按侧压力系数λ=1考虑。假定隧道开挖前，围岩处于饱和状态。开挖后，地下水在隧道开挖区域的边界上为自由透水边界，渗流水压力为零。采用超前帷幕全断面注浆加固，注浆加固效果通过提升注浆区围岩的物理力学参数模拟，计算参数见表3。

表3 计算参数表

在隧道施工中，二衬的施作发生在围岩初支作用下变形稳定后，另外，初喷混凝土往往伴随着围岩的变形开裂，其实际堵水作用十分有限，因此，在讨论注浆加固对围岩开挖变形的影响时，往往不考虑二衬及初支的堵水作用，表中设初支及二衬的渗透系数为无穷大。

3.2 破碎带对围岩开挖变形影响分析

不考虑开挖渗流影响，单独讨论破碎带对围岩开挖变形的影响。由于隧道与破碎带斜交，隧道研究断面位置如图6所示，因此，可分5种不同的情况分析隧道开挖破碎带对围岩变形的影响：

①隧道断面拱底存在岩石破碎带(断面1)②隧道断面下台阶为岩石破碎带(断面2)；③整个隧道断面都在岩石破碎带内(断面3)④隧道断面上台阶为岩石破碎带(断面4)；⑤隧道断面拱顶存在岩石破碎带(断面5)。

运用有限元模拟后，得到在不考虑渗流情况下，含破碎带围岩开挖后的总位移、竖向位移，如图6、图7所示。

图6 破碎带开挖后总位移云图

图7 破碎带开挖后竖向位移云图

图6、图7所示计算结果表明，断层破碎带处围岩产生的位移量明显大于两侧围岩，这是因为断层破碎带处围岩与两侧岩体在物理力学特性上差异显著，所以，应特别关注此段的施工过程，适当提高支护参数。

提取含破碎带围岩断面1～5并对比完整V级围岩的下拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛的计算结果并对比完整V级围岩计算结果，如图8所示。

由图8可见：

1) 含破碎带时，各断面在开挖时的拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛值均比完整围岩时大且变形速度更快。

图8 断面1～5位移场曲线对比图

2) 斜向破碎带对围岩拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛变形影响不同。

①对拱顶位移的影响：各断面拱顶下沉值从小到大依次为1，2，3，5，4，破碎带对围岩拱顶位移的影响在断面2开始逐渐显现，在断面4达到最大下沉值，且断面5的拱顶下沉值也较大，可见破碎带对围岩拱顶位移的影响在断面5后仍会延续一段距离。

②对拱底位移的影响：各断面拱底隆起值由小到大依次为5，4，3，2，1，围岩拱底位移在断面1处就达到最大隆起值，破碎带对围岩拱底位移的影响在断面1前已有较大一段距离；在断面4，5的拱底隆起值已基本接近完整围岩，可见破碎带在此处对围岩拱顶位移的影响已基本结束。

③对水平收敛的影响：各断面水平收敛值小到大依次是5，1，4，2，3，围岩水平收敛在断面3处达到最大下沉值，沿着左、右量测逐渐减小，断面5处水平收敛值已基本接近完整围岩，断面1处水平收敛值较完整围岩大，说明破碎带对断面1前围岩水平收敛仍有一段影响距离，对断面5以后基本无影响。

由此看来，拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛值并不是所有隧道断面都在破碎带时达到最大值。拱顶下沉最大值发生在断面4，5主要是由于此处开挖部分为V级围岩，而隧道拱顶为破碎围岩，由于V级围岩重度、弹性模量等均比破碎带大，因此开挖回弹量比全破碎带大，拱顶下沉值更大。同理，拱底最大值发生在断面1主要是由于此处开挖部分为V级围岩，而此处隧道底部为破碎围岩，因此开挖回弹量比全破碎带更大，拱底隆起更大。水平收敛值在断面3处最大，此处整个隧道处在破碎带中，是由于此处开挖后隧道周围均为破碎软岩，对于水平收敛的限制大大减小，因此，此处水平收敛值最大。

综上所述，当围岩中存在破碎带，尤其是斜向破碎带时，隧道开挖时不仅要注意破碎带区的围岩变形，也要注意破碎带前后一定范围内的围岩变形，在采取注浆加固时应适当扩大注浆范围。

4.选择合适的教学技术。利用多媒体课件和网络信息资源，做到“互联网+课堂教学”，可以让课堂教学全校同步，做到“班班通”，甚至“校校通”。

3.3 开挖渗流及注浆加固对围岩开挖变形影响

考虑开挖渗流影响，采用超前帷幕全断面注浆加固，注浆加固范围为5 m，注浆圈渗透系数取2.0×10-5cm/s，其他参数同表3。

3.3.1渗流场分析

对破碎带围岩注浆前后分别进行渗流分析，得到注浆加固前、后围岩孔隙水压力分布图，如图9所示。

图9 注浆前后破碎带围岩孔隙水压力云图

由图9可见：

1) 注浆加固前，由于破碎软岩渗透系数大于其两侧围岩渗透系数，破碎软岩处水压力小于两侧围岩，因此破碎带处孔隙水压力比两侧围岩孔隙水压力小。

2) 注浆加固后，整个隧道周边围岩渗透系数减小，注浆圈承担了一部分水压力，使得整个隧道周边孔隙水压力增大，减小开挖渗流的影响，同时整个隧道周边孔隙水压力分布更加均匀，几乎可以忽略破碎带的影响。

进行应力-渗流耦合分析，得到破碎带围岩在渗流作用下注浆加固前后位移云图，如图10所示。

图10 加固前后破碎带围岩开挖总位移云图

提取破碎带处不考虑渗流情况、完整围岩150 m水头差、破碎带150 m水头差，以及破碎带注浆后的拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛的计算结果，如图11所示。

由图11可见：

1) 相较于不考虑渗流情况，在考虑渗流时，高水位下破碎带与其两侧围岩变形差异更大，尤其是破碎带拱底隆起值高达300 mm，此时，拱底基本已产生隆起破坏，这也是加固前含破碎带围岩开挖总位移、竖向位移云图色彩范围聚集在破碎带拱底处的原因，如图11a)所示，因此必须对围岩进行注浆加固处理。

图11 不同情况位移场曲线对比图

2) 破碎带在注浆加固后其拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛值均大幅减小，且最终变形值均比完整围岩还小，变形过程较完整围岩更加平缓。这主要是由于注浆加固后，隧道周边围岩渗透系数减小，整个隧道周边孔隙水压力分布更加均匀。另外，注浆圈承担了一部分水压力，减小开挖渗流的影响，加上注浆圈材料参数的提高，几乎可以忽略破碎带的影响，使得围岩变形值大幅减小。

4 现场监测与模拟结果对比分析

提取注浆加固后的断面1～5开挖后的围岩变形数值模拟结果，并对比K16+440，K16+445，K16+450，K16+0455，K16+460的拱顶下沉和水平收敛的监测结果，如图12所示。

图12 实测结果与模拟结果对比图

由图12可见：

1) 各断面开挖后的实测变形与数值模拟变形规律基本一致，但拱顶下沉、水平收敛实测结果均比数值模拟结果偏大，且不同位置偏大程度不同。

经分析认为，由于数值模拟中围岩物理力学参数取值的误差，加上现场施工中，支护施作的实际效果不可能达到理想设计效果，破碎带区的注浆加固后的围岩参数应小于其两侧围岩参数，而不是数值模拟中取用的相同值，这是造成实测结果偏大的原因，因此实测拱顶下沉及水平收敛最大值均发生在K16+450处。不同位置偏大程度不同是由于斜向破碎带在不同断面破碎围岩分布不同，例如，K16+450断面实测拱顶下沉值约为模拟值的1.8倍，而K16+460断面实测拱顶下沉值仅为模拟值的1.2倍，这是由于K16+450断面完全处在破碎带内，K16+460断面只有一小部分处在破碎带内。

2) 水平收敛测线a比测线b收敛值大，模拟值约介于两者之间。

这是因为测线a在上台阶开挖后布设，测线b经下台阶开挖后布设，测线b经上台阶开挖，位移已得到一定程度的释放，在数值模拟中，水平测线取的是上下台阶交界线，因此收敛值介于测线a、b之间。

3) 实测围岩变形收敛距离大于数值模拟变形收敛距离，且此后变形速度维持在一定水平，表现出围岩流变效应。

以K16+445断面为例，数值模拟拱顶下沉变形基本收敛(变形速度≤0.1 mm/d)时，断面距掌子面2.0R，且此后变形速度越来越小趋近于零，但是实测拱顶下沉变形基本收敛时，断面距掌子面约为2.8R，且此后的3.2R范围内监测变形速度一直维持在0.05～0.08 mm/d之间。

隧道开挖过程中，洞身应力得到释放，围岩应力产生重分布。理论上，如果在这种重分布完成后其围岩应力不超过围岩的支护条件和强度，则隧洞的开挖将会保持稳定和安全，但实际情况并非如此。在实际的开挖过程中，不论掌子面的开挖距离如何，甚至掌子面的空间效应作用较大时，随着时间的推移，洞室仍有失稳甚至坍塌的可能出现。这表明，隧道围岩的变形，是随着时间的变形而不断继续演变和发展的，而更多的工程实际表明，流变是普遍且长期存在的。