富水残积土输水隧洞水平旋喷桩和超前小导管组合支护技术研究*

2024-05-08何晓林苏赐从周陶艺王俊强

施工技术(中英文) 2024年7期

何晓林,黄震,苏赐从,周陶艺,王俊强

(1.中国建筑第五工程局有限公司,湖南长沙 530009; 2.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁 530004)

0 引言

2022年我国水利建设投资达10 893亿元,比2021年增长44%,首次突破1万亿元。随着水利基础设施建设进度逐渐加快,在南方地区将会出现更多穿越富水残积土地层的隧洞[1-2]。雨季时,地下水受降雨影响而充裕,残积土层遇水呈流塑状,无自稳性,极易软化崩解,导致隧道掌子面出现坍塌与突水现象。在富水残积土地层中,超前小导管注浆扩散效果不佳,隧洞内施工作业空间狭小,给施工造成了极大困难。因此,需要对单一的支护措施进行改进,以保证隧洞施工的稳定性。

超前小导管支护作为较成熟的超前支护措施,应用十分广泛。近年来,许多学者从理论分析[3]、数值模拟[4]、模型试验[5]方面对这一技术进行了深入研究,如安永林等[6]基于温克尔地基模型和刚体极限平衡法,运用数值方法分析超前小导管下的隧道掌子面围岩稳定性与变形特征,得出掌子面稳定性与开挖方式、导管支座处的初始位移、导管管径等参数之间的关系;赵晨阳等[7]建立了隧道施工双层预支护体系的力学分析模型,指出中间土体弹簧与水平旋喷桩直径对体系协同作用、挠曲变形的影响程度;许明[8]开展了超前导管注浆加固机理与性能优化的离心机模型试验,探讨了小导管环向布置范围对隧道稳定性及地面沉降的影响;曹明星等[9]提出了一种“地表注浆为主,超前小导管为辅,预留核心土”的联合快速施工方法,并探讨了这种方法对浅埋破碎区域的扰动程度,得出该方法基本不会使施工过程中隧道上覆土层出现破坏;赵金鹏等[10]采用数值计算和现场监测方法研究了管棚+超前小导管的组合支护效果,得出超浅埋段长管棚能在一定程度上控制围岩变形。

尽管以上学者对超前小导管支护进行了大量研究,但针对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护的研究较少。为探究水平旋喷桩配合超前小导管组合支护方式在富水残积土地层输水隧洞中不同设计参数对其加固效果的影响,采用Plaxis 3D软件,研究不同设计参数对隧道拱顶竖向沉降、拱腰水平变形以及掌子面变形影响的变化规律,并采用局部敏感性分析方法对各设计参数进行了敏感性分析,为不良地质输水隧洞超前支护的设计与优化提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

广西黄章水库为新建水库枢纽工程,水库工程由1座主坝、5座副坝、2条放水隧洞、库外引水、供水管路等组成。其中池容塘一副坝输水隧洞位于池容塘一副坝右岸约530m的山体,洞长909.00m。隧洞设计为有压洞,设计流量为0.969m3/s,洞身均采用圆形断面,内径1 800mm,底板进口底高程 113.450m,出口底高程 112.450m。

池容塘一副坝输水设施由明渠段和隧洞段组成,设施布置于水库右岸山体,明渠段长约200m,隧洞(洞0+000—洞0+909)共长909.00m,明渠底高程113.450m,渠道尾部接隧洞进口。

1.2 地层岩性

隧道区域受地质构造的影响,地下水类型有孔隙水和基岩裂隙水两种。隧洞沿线分布的土体主要为第四系全新统残坡积黏土质砂和全风化花岗岩,厚度不均。其中洞0+020—洞0+120段穿越第四系全新统残坡积黏土质砂地层,围岩类别属Ⅴ类,隧洞线位于水位线以下,开挖时可能会出现线状流水甚至涌水现象,甚至导致洞体失稳或者坍塌,为本隧道开挖最不利情况段。输水隧洞设计开挖方式为全断面开挖,初期支护主要采用钢拱架、隧道四周及掌子面注浆加固、钢丝网及 C20 喷射混凝土等,二次衬砌为400mm厚现浇C25混凝土,隧道地质剖面及横断面如图1所示。

图1 隧道地质剖面及横断面Fig.1 Tunnel geological section and cross-section

2 数值建模

2.1 模型构建

根据该隧洞设计勘察资料,选择隧洞穿越过程中最不利情况段进行数值模拟研究。由于洞口处开挖未出现坍塌等状况,因此模型截取洞身段进行计算,模型大小为80m×20m×50m,模拟土层为黏土质砂及全风化岩,各加固区土层参数、材料参数如表1所示。

表1 数值模型参数Table 1 Parameters of numerical model

模型侧面边界设置法向约束,底部边界设置固定约束,隧道三维模型如图2所示。土体采用土体硬化本构模型,锚杆采用Plaxis中Embedded桩单元模拟,水平旋喷桩掌子面加固区采用莫尔-库伦模型,通过提高加固土体的黏聚力和内摩擦角模拟其加固效果,初支混凝土采用板单元模拟,钢拱架采用土工格栅单元模拟。基于实际施工情况,本次模拟未考虑隧洞二次衬砌的影响。地下水标高与地表齐平,渗透系数取k=0.045m/d[11-12]。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

2.2 参数选取

在建立数值模型时,掌子面后侧土体加固区的参数选取采用复合压缩模量代替原土体压缩模量的方法。一般复合土体的压缩模量可按下式进行计算[13-14]:

Esp=mEp+(1-m)Ep

(1)

(2)

式中:Esp为复合地基压缩模量;m为面积置换率;在等边三角形布桩中ds=1.05s,s为桩间距;Ep为旋喷桩桩体压缩模量;d为桩径。

由于地基土在承受荷载时,产生的变形基本为弹塑性变形,而变形模量恰好能反映弹性变形和部分塑性变形,比较符合工程实际。因此,在一般的地基基础有限元计算中,地基土模量采用变形模量。

土体的变形模量可由式(3)确定:

(3)

式中:E0为复合地基变形模量;ν为复合土体泊松比,此处取为0.3。

由式(1)～(3)可知,影响水平旋喷桩掌子面加固土体物理性质的设计参数是水平旋喷桩桩径和桩间距。

2.3 模型验证分析

为了验证本数值模型的可靠性,建立采用超前小导管注浆加固方法的数值模型,根据模拟结果分析其水平收敛数据,再与现场实际监测数据进行对比,结果如图3所示。模拟隧道水平收敛位移为15.86mm,实际施工监测衬砌位移为16.081mm,模拟值与实际施工监测数据较为吻合,且收敛过程相似,说明建立的数值模型能够较好地反映实际情况。

图3 监测和数值模拟对比结果Fig.3 Comparison results of monitoring and numerical simulation

3 支护参数影响研究

为了研究不同管径、外插角和环向间距对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护效果的影响,考虑实际施工情况和设计规范,按照控制变量法的原则,只改变某种参数,分析其对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护效果的影响。

3.1 超前小导管管径

保持其他参数不变,令超前小导管管径分别为28,38,48,58mm。开挖所引起隧道竖向变形、隧道水平收敛、超前小导管管身所受轴力与剪力如图4～6所示。

图4 小导管管径对围岩竖向变形的影响Fig.4 Effect of small conduit diameter on vertical deformation of surrounding rock

由图4可知,围岩拱顶竖向沉降随小导管直径的增加而减小。当管径从28mm增加到58mm时,隧洞围岩拱顶竖向沉降分别为:13.05,13.00,12.94,12.89mm,变化幅度分别为:-0.383%,-0.462%,-0.386%。由图5可知,围岩拱腰水平收敛随小导管直径的增加而减小。当管径从28mm增加到58mm时,围岩拱腰水平收敛分别为:43.76,43.76,43.70,43.67mm,变化幅度分别为:0,-0.137%,-0.069%。由图6可知,随着小导管管径的增加,超前小导管所受的轴力与剪力也会随之增大。当管径从28mm增加到58mm时,小导管所受轴力和剪力从17.1,0.615 4kN增加到26.68,1.489kN,增幅分别为56.02%和141.96%。虽整体上管径与后文其他两个参数对小导管轴力和剪力的影响较大,但对围岩变形的影响较小,因此管径变化对组合支护效果的影响较小。

图5 小导管管径对围岩拱腰水平收敛的影响Fig.5 Effect of small conduit diameter on horizontal convergence of surrounding rock arch waist

图6 不同管径小导管的受力情况Fig.6 Stress of small conduits with different diameters

3.2 超前小导管环向间距

保持其他参数不变,令超前小导管环向间距分别为20,30,40,50cm。开挖所引起隧道竖向变形、隧道水平收敛、超前小导管管身所受轴力与剪力如图7～9所示。

图7 环向间距对围岩竖向变形的影响Fig.7 Effect of circumferential spacing on vertical deformation of surrounding rock

由图7可知,围岩拱顶竖向沉降随小导管环向间距的增加而增加。当环向间距从20cm增加到50cm时,围岩拱顶竖向沉降分别为:12.98,13.00,13.05,13.18mm,变化幅度分别为:0.154%,0.384%,0.996%。由图8可知,围岩拱腰水平收敛随小导管环向间距的增加而增加。当环向间距从20cm增加到50cm时,围岩拱腰水平收敛分别为:42.97,43.76,43.87,43.96mm,变化幅度分别为:1.838%,0.251%,0.205%。由图9可知,随着环向间距的增加,超前小导管所受的轴力会随之增加,所受剪力随之减小。当环向间距从20cm增加到50cm时,小导管所受轴力和剪力从15.91,1.012kN变化到26.47,0.640 5kN,变化幅度分别为:66.37%和-36.71%。因此超前小导管环向间距的变化对组合支护效果的影响一般。

图8 环向间距对围岩拱腰水平收敛的影响Fig.8 Effect of circumferential spacing on horizontal convergence of surrounding rock arch waist

图9 环向间距对小导管受力的影响Fig.9 Effect of circumferential spacing on stress of small conduit

3.3 超前小导管注浆加固圈厚度

当其他参数不变,令超前小导管注浆加固圈厚度分别为0,10,20,30cm。开挖所引起隧道竖向变形、隧道水平收敛、超前小导管管身所受轴力与剪力如图10～12所示。

图10 加固圈厚度对围岩竖向变形的影响Fig.10 Effect of reinforcement ring thickness on vertical deformation of surrounding rock

由图10可知,围岩拱顶竖向沉降随注浆加固圈厚度的增加而减小。当注浆加固圈厚度从0增加到30cm时,围岩拱顶竖向沉降分别为:49.23,21.11,13.00,10.85mm,变化幅度分别为:-57.11%,-38.42%,-16.54%。由图11可知,围岩拱腰水平收敛随注浆加固圈厚度的增加而减小。当注浆加固圈厚度从0增加到30cm时,围岩拱腰水平收敛分别为:124.56,84.65,43.76,21.99mm,变化幅度分别为:-32.04%,-48.3%,-49.75%。由图12可知,随着注浆加固圈厚度的增加,超前小导管所受的轴力与剪力也会随着减小。当注浆加固圈厚度从0增加到30cm时,小导管所受轴力和剪力从26.26,2.705kN减小到21.71,0.313kN,变化幅度分别为:17.33%和88.42%。因此超前小导管注浆加固圈厚度的变化对围岩支护效果的影响较大。

图11 加固圈厚度对围岩拱腰水平收敛的影响Fig.11 Effect of reinforcement ring thickness on horizontal convergence of surrounding rock arch waist

图12 不同加固圈厚度下小导管的受力情况Fig.12 Stress of small conduit under different reinforcement ring thickness

3.4 超前小导管外插角度

当其他参数不变,令超前小导管外插角度分别为11°,13°,15°,17°。开挖所引起隧道竖向变形、隧道水平收敛、超前小导管管身所受轴力与剪力如图13～15所示。

图13 外插角度对围岩竖向变形的影响Fig.13 Effect of extrapolation angle on vertical deformation of surrounding rock

由图13可知,围岩拱顶竖向沉降随小导管外插角的增加而减小。当小导管外插角从11°增加到17°时,围岩拱顶竖向沉降分别为:13.16,13.05,13.00,12.84mm,变化幅度分别为:-0.836%,-0.383%,-1.231%。由图14可知,围岩拱腰水平收敛随小导管外插角度的增加而减小。当小导管外插角从11°增加到17°时,拱腰水平收敛分别为:44.65,44.00,43.76,42.84mm,变化幅度分别为:-1.456%,-0.545%,-2.102%。由图15可知,随着小导管外插角度的增加,超前小导管所受的轴力与剪力也会随着减小。当小导管外插角从11°增加到17°时,小导管所受轴力和剪力从24.52,1.218kN减小到19.4,0.471 5kN,减幅分别为:20.88%和61.29%。因此超前小导管外插角度的变化对围岩支护效果的影响一般。

图14 外插角度对围岩拱腰水平收敛的影响Fig.14 Effect of extrapolation angle on horizontal convergence of surrounding rock arch waist

图15 不同外插角度下小导管的受力情况Fig.15 Stress of small conduit under different extrapolation angles

3.5 水平旋喷桩桩径与桩间距

为了研究掌子面旋喷桩不同桩径、桩间距对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护效果的影响,考虑实际施工情况,按照控制变量法的原则,只改变某种参数,分析其对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护效果的影响,设置8种工况,如表2所示。

表2 研究工况Table 2 Study conditions

如图16所示,围岩拱顶竖向沉降随着掌子面水平旋喷桩加固土体的弹性模量减小而增加。当水平旋喷桩桩径为0.45m,桩间距从0.9m增加到1.5m时,弹性模量从908.85MPa减小到330.5MPa,围岩拱顶竖向沉降分别为:12.95mm(工况7)、13mm(工况5)、13.06mm(工况3),变化幅度为:0.386%,0.462%。当水平旋喷桩桩间距为1.2m,桩径从0.3m增加到0.6m时,弹性模量从231.09MPa增加到908.85MPa,围岩拱顶竖向沉降分别为:13.12mm(工况2)、13mm(工况5)、12.95mm(工况8),变化幅度为:-0.915%,-0.385%。

图16 旋喷桩布置对围岩竖向位移的影响Fig.16 Effect of rotary jet grouting pile arrangement on vertical displacement of surrounding rock

如图17所示,随着掌子面水平旋喷桩加固土体的弹性模量增加,小导管所受轴力逐渐减小,但其所受剪力逐渐增加。当控制水平旋喷桩桩径0.45m不变,桩间距从0.9m增加到1.5m时,小导管所受轴力与剪力从21.89,0.852kN变化为21.41,0.862 6kN,变化幅度为:-2.193%,1.268%。当控制水平旋喷桩桩间距1.2m不变,桩径从0.3m增加到0.6m时,小导管所受轴力与剪力从21.97,0.845 3kN变化到21.41,0.862 6kN,变幅为:-2.55%,2.07%。

图17 旋喷桩布置对小导管受力的影响Fig.17 Effect of jet grouting pile arrangement on stress of small pipe

如图18所示,随着掌子面水平旋喷桩加固土体的弹性模量增加,隧道围岩两侧的最大水平位移逐渐减小,最大位移发生在隧道两侧距离隧道底部0.8m处。当水平旋喷桩桩径为0.45m,桩间距从0.9m增加到1.5m时,围岩两侧最大水平位移从21.85mm增加为22.12mm,变化幅度为1.221%。当水平旋喷桩桩间距为1.2m,桩径从0.3m增加到0.6m时,围岩两侧最大水平位移从22.27mm减小为21.85mm,变化幅度为-1.886%。

图18 旋喷桩布置对围岩最大水平位移的影响Fig.18 Effect of jet grouting pile arrangement on maximum horizontal displacement of surrounding rock

3.6 掌子面变形

如图19所示,随着掌子面水平旋喷桩加固土体的弹性模量减小,隧道掌子面位移逐渐增加。当水平旋喷桩桩径为0.45m,桩间距从0.9m增加到1.5m时,弹性模量从908.85MPa减小到330.5MPa,掌子面最大位移从13.14mm增加为14.06mm,变化幅度为7%。当水平旋喷桩桩间距为1.2m,桩径从0.6m减小到0.3m时,弹性模量从908.85MPa减小到231.09MPa,掌子面最大位移从13.14mm增加为14.63mm,变化幅度为11.34%。

图19 旋喷桩布置对掌子面变形的影响Fig.19 Effect of jet grouting pile arrangement on face deformation

4 敏感性分析

采用局部敏感性分析方法对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护设计参数敏感性进行分析[15],在一定范围内更改模型参数值,并计算输出结果的变化。应用的数学模型基本表达式如下:

(4)

式中:Ii为参数敏感性指数;o为模型模拟输出结果;Fi为影响o的因子(参数)。

参数敏感性指标分类标准如表3所示。

表3 敏感性指标分类标准Table 3 Classification criteria of sensitivity indicators

为对水平旋喷桩配合超前小导管组合支护进行参数敏感性分析,选取超前小导管管径、环向间距、外插角度、注浆加固圈厚度、水平旋喷桩桩径和桩间距6个参数作为模型参数变量进行数值分析。

通过式(4)对数据进行分析、计算,得出在隧道围岩变形中各参数的敏感性指标,结果如表4所示。

表4 各参数敏感性指标Table 4 Sensitivity index of each parameter

由表4可知,围岩的竖向变形对小导管外插角度和注浆加固圈厚度的变化敏感,对小导管管径、环向间距、水平旋喷桩桩径、桩间距变化不敏感;围岩水平变形对小导管外插角度和注浆加固圈厚度的变化极其敏感,对水平旋喷桩桩径变化较为敏感,对小导管管径、环向间距、水平旋喷桩桩间距不敏感。由此可得,参数变化对围岩竖向位移影响程度由大到小为:小导管外插角>注浆加固圈厚度>水平旋喷桩桩径>水平旋喷桩桩间距>小导管管径>小导管环向间距,参数变化对围岩水平位移影响程度由大到小为:注浆加固圈厚度>小导管外插角>水平旋喷桩桩径>小导管环向间距>水平旋喷桩桩间距>小导管管径。