土體隧洞貫通段穩(wěn)定分析及加固措施研究

曹 愛 武，魏 樺，褚 衛(wèi) 江，陳 平 志

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江 杭州 311122； 3.2510工程建設(shè)指揮部)

0 引 言

隧洞在水電、交通、市政、采礦等多個(gè)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。受工期等影響，雙向掘進(jìn)為隧洞常用的施工方式。在接近貫通時(shí)左、右幅由于相隔較近產(chǎn)生的相互擾動(dòng)大，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的隧洞易發(fā)生大變形甚至失穩(wěn)坍塌，將對(duì)工程施工安全及進(jìn)度產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞貫通段穩(wěn)定特性、破壞模式及加固措施的研究具有重要的意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞穩(wěn)定問題開展了相關(guān)研究。鈕新強(qiáng)等[1]對(duì)穿黃隧洞中遇到的復(fù)雜地質(zhì)問題及相關(guān)施工技術(shù)、控制標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了總結(jié)，通過專題研究提出了一系列技術(shù)難題解決方案；Lunardi[2]和Giovanni[3]研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞全斷面開挖實(shí)現(xiàn)方法，強(qiáng)調(diào)了掌子面穩(wěn)定對(duì)隧洞穩(wěn)定及創(chuàng)造全斷面開挖條件的重要性；閆軍濤等[4]研究了盾構(gòu)通過上軟下硬復(fù)雜地層時(shí)開挖面支護(hù)壓力的確定方法，以保障隧洞施工安全；馬龍等[5]分析了隧洞貫通段地下水、爆破振動(dòng)、空間效應(yīng)和施工等因素對(duì)穩(wěn)定的影響；潘奇[6]研究了初期支護(hù)對(duì)貫通段穩(wěn)定特性的改善；相關(guān)學(xué)者還利用數(shù)值模擬技術(shù)及監(jiān)測手段[7-11]，研究了隧洞開挖變形規(guī)律及超前支護(hù)等措施的作用。上述研究主要針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞穩(wěn)定、貫通段穩(wěn)定影響因素以及變形特征、控制措施、監(jiān)測手段等方面進(jìn)行分析，對(duì)于貫通段破壞模式及加固作用量化的研究較少。

本文基于解析及數(shù)值方法對(duì)軟土隧洞貫通段潛在破壞模式、安全系數(shù)及不同加固措施效果進(jìn)行了研究，提出了軟土隧洞貫通段潛在失穩(wěn)模式及安全系數(shù)計(jì)算方法，并利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證。相關(guān)研究成果有利于工程技術(shù)人員及時(shí)了解貫通段的穩(wěn)定特征，選擇適當(dāng)?shù)募庸谭椒ㄌ岣哓炌ǘ畏€(wěn)定性，保障工程安全。

1 隧洞貫通段潛在失穩(wěn)模式及穩(wěn)定分析

雙向掘進(jìn)的軟土隧洞貫通段擾動(dòng)大，其穩(wěn)定問題更為突出。由于兩側(cè)均產(chǎn)生擾動(dòng)，假設(shè)軟土隧洞貫通段破壞模式分為雙滑面及單滑面兩種破壞模式，同時(shí)貫通段土柱支撐作用不足，破壞區(qū)域?qū)⒖赡苓M(jìn)一步延伸至貫通段上部。

1.1 雙滑面破壞模式

考慮軟土隧洞貫通段受兩側(cè)開挖擾動(dòng)程度相當(dāng)，均發(fā)生向臨空面的變形，貫通段中部產(chǎn)生裂縫，假設(shè)此狀態(tài)下貫通段為雙滑面破壞模式，潛在失穩(wěn)模式如圖1所示。

圖1 軟土隧洞貫通段雙滑面破壞模式示意Fig.1 Double sliding failure mode of soil tunnel in breakthrough section

雙滑面破壞模式貫通段穩(wěn)定安全系數(shù)為

(1)

對(duì)公式(1) 進(jìn)行簡化得到：

(2)

1.2 單滑面破壞模式

考慮隧洞雙向掘進(jìn)過程中一側(cè)擾動(dòng)較大，產(chǎn)生更大的臨空變形，假設(shè)此時(shí)貫通段為單滑面破壞模式。潛在失穩(wěn)模式如圖2所示。

圖2 軟土隧洞貫通段單滑面破壞模式示意Fig.2 Single sliding failure mode of soil tunnel in breakthrough section

單滑面破壞模式貫通段穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算同公式(2)，但對(duì)于潛在滑動(dòng)土體單寬自重W、潛在滑動(dòng)面長度Ls存在差別。

1.3 穩(wěn)定性數(shù)值分析方法

由于解析方法無法考慮隧洞的三維效應(yīng)且難以量化支護(hù)對(duì)穩(wěn)定性的改善作用，進(jìn)一步利用數(shù)值模擬方法對(duì)軟土隧洞貫通破壞模式及安全特性進(jìn)行分析研究。

對(duì)于軟土隧洞貫通段穩(wěn)定特性的數(shù)值分析，可利用FLAC3D建立分析模型[13]，如圖3所示。假設(shè)隧洞除貫通段外均已開挖支護(hù)完成，對(duì)于玻璃纖維錨桿、管棚等支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用Cable等結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，土體采用Mohr-Coulomb模型，利用強(qiáng)度折減法求解貫通段安全系數(shù)。

圖3 軟土隧洞貫通段穩(wěn)定分析模型Fig.3 Stability analysis model of soil tunnel in breakthrough section

2 軟土隧洞貫通段加固措施效果分析

超前支護(hù)是保障隧道開挖工作面穩(wěn)定常采取的加固措施。管棚支護(hù)適用性廣、施工快、安全性高，在隧洞施工中廣泛使用；玻璃纖維錨桿具有抗拉強(qiáng)度高，抗剪強(qiáng)度低，易挖除的特征，非常適合臨時(shí)工程的加固[14-15]。下文對(duì)管棚及玻璃纖維錨桿等超前支護(hù)對(duì)軟土隧洞貫通段穩(wěn)定安全系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

2.1 管棚加固貫通段

管棚措施通過在隧洞開挖輪廓處施加鋼管，并進(jìn)行注漿，使得周圍一定范圍內(nèi)巖土體得到固結(jié)，鋼管與巖土體組成固結(jié)圈，從而減少隧洞變形[16]。對(duì)于軟土隧洞貫通段，管棚的施加避免了隧洞頂拱潛在塌落區(qū)的坍塌。根據(jù)公式(2)，管棚加固措施有效降低了潛在滑動(dòng)土體自重，從而提高了軟土隧洞貫通段安全系數(shù)。

2.2 掌子面玻璃纖維錨桿加固

玻璃纖維錨桿提前從隧洞兩側(cè)安裝，通過注漿及桿體作用，可提高軟土隧洞貫通段整體性及土體的黏聚力，玻璃纖維錨桿對(duì)隧洞貫通段加固示意如圖4所示。根據(jù)公式(2)，玻璃纖維錨桿提高了軟土隧洞貫通段黏聚作用，提高了軟土隧洞貫通段穩(wěn)定性。

圖4 玻璃纖維錨桿加固隧洞貫通段示意 (雙滑面破壞模式)Fig.4 Fiberglass anchors reinforcing breakthrough section(double sliding surfaces mode)

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能電站尾水隧洞主要位于含礫石或漂石的高液限黏土地層，隧洞開挖直徑約9.0 m，最大埋深約60.0 m。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，工程工期緊張，隧洞從東西兩側(cè)同時(shí)開挖，貫通段位置土體重度18.5 kN/m3，黏聚力為29 kPa，內(nèi)摩擦角為23.5°。貫通段位置受地下水影響嚴(yán)重且埋深接近50 m，若貫通段位置發(fā)生事故，將威脅工程順利進(jìn)行。

為保障貫通段安全，隧洞貫通段采用分幅開挖方式，以減少對(duì)貫通段的擾動(dòng)，貫通段斷面及開挖方式如圖5所示。

圖5 尾水隧洞貫通段斷面及開挖方式Fig.5 Profile and excavation method of breakthrough section in tailrace tunnel

下面利用解析方法及數(shù)值模擬方法對(duì)該軟土隧洞貫通段潛在失穩(wěn)模式、穩(wěn)定特性、加固作用進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。

3.2 解析方法

結(jié)合支護(hù)施加及進(jìn)尺情況考慮貫通段長度為3.67 m，對(duì)于單滑面和雙滑面兩種破壞假定，分別考慮極小擾動(dòng)(c=29 kPa)及極限擾動(dòng)(c=0 kPa)，相關(guān)安全系數(shù)如表1所列。

表1 不同條件下貫通段安全系數(shù)(解析方法)Tab.1 FoS of breakthrough section under different conditions (analytical method)

根據(jù)解析法，該軟土隧洞貫通段兩種模式不同擾動(dòng)下安全系數(shù)均小于1。由于解析方法無法考慮三維效應(yīng)、斷面特性等影響，繼續(xù)利用數(shù)值方法進(jìn)行貫通段穩(wěn)定系數(shù)復(fù)核。

3.3 數(shù)值模擬方法

利用FLAC3D建立軟土隧洞貫通段分析模型。在滲流穩(wěn)定條件下，考慮隧洞從兩端向中部開挖，兩側(cè)擾動(dòng)程度相當(dāng)，則極小擾動(dòng)下安全系數(shù)為1.32，極限擾動(dòng)下安全系數(shù)為1.06，軟土隧道開挖響應(yīng)如圖6所示。

圖6 尾水隧洞開挖響應(yīng)特征Fig.6 Excavation response characteristics of breakthrough section in tailrace tunnel

由于貫通段位置擾動(dòng)通常較大，接近極限擾動(dòng)情況，因此該軟土隧洞貫通段安全系數(shù)僅略大于1.06，安全裕度低，因此有必要對(duì)貫通段位置進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。如圖6所示，根據(jù)貫通段最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植技白冃畏植继卣鳎菜矶簇炌ǘ谓票憩F(xiàn)為雙滑面破壞模式。

對(duì)不同支護(hù)措施作用下貫通段安全系數(shù)進(jìn)行了分析，如圖7所示。圖7(a)為兩側(cè)施加直徑114 mm、間距0.5 m、長12 m的管棚，貫通段黏聚力折減為0，安全系數(shù)為1.15；圖7(b)為除管棚外，掌子面同時(shí)施加34根玻璃纖維錨桿，貫通段黏聚力折減為0，安全系數(shù)為1.23。

圖7 不同支護(hù)措施條件下的貫通段安全系數(shù)(極限擾動(dòng))Fig.7 FoS of breakthrough section under different reinforcement measures(extreme disturbance)

根據(jù)上述分析，可見施加支護(hù)后，極限擾動(dòng)情況下，貫通段安全系數(shù)可從1.06提高至1.23，提高了安全裕度。盡管使用管棚支護(hù)能夠提高貫通段安全系數(shù)至1.15，但考慮到貫通段掌子面一旦失穩(wěn)，將嚴(yán)重威脅施工人員安全，還是采用管棚與貫通段掌子面玻璃纖維錨桿組合的支護(hù)方案，目前隧洞已實(shí)現(xiàn)安全貫通。

4 結(jié) 論

(1) 基于解析方法提出了軟土隧道貫通段潛在破壞模式及其安全系數(shù)計(jì)算方法。由數(shù)值模擬方法可知，對(duì)于貫通段雙向開挖擾動(dòng)相當(dāng)情況，其近似表現(xiàn)為雙滑面破壞模式。

(2) 以以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能電站尾水隧洞土質(zhì)洞段為例，結(jié)合隧洞施工方案，利用FLAC3D分析得到無支護(hù)條件下貫通段安全系數(shù)略大于1.06，安全裕度低，施加管棚支護(hù)后安全系數(shù)為1.15，施加管棚及玻璃纖維錨桿組合支護(hù)后安全系數(shù)為1.23。可見，通過管棚、玻璃纖維錨桿等超前支護(hù)，提高了軟土隧洞貫通段安全系數(shù)，保障了工程施工安全。

(3) 下一步研究可進(jìn)一步考慮開挖方式、開挖進(jìn)尺差異、支護(hù)時(shí)機(jī)等對(duì)貫通段穩(wěn)定特性的影響程度。