动载作用下断层隧道施工注浆效果分析

2014-06-27 05:59凌同华
交通科学与工程 2014年3期
关键词:主应力拱顶宽度

凌同华,李 洁,高 亮

(长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙 410004)

随着交通建设不断迅猛地发展,隧道工程穿越复杂地质的现象越来越普遍[1]。近年来,注浆技术作为一种重要且有效的支护手段,得到了大力地推广及应用,也是处理断层等不良地质最常用和最有效的方法之一。它有助于提高岩体的物理力学参数,形成抗渗性能强和强度高的岩体,同时控制围岩的变形和失稳破坏。

针对断层隧道,众多学者对其注浆加固技术进行了研究。黄戡[2]建立了劈裂注浆模型试验,通过对注浆机理的分析,推导了注浆压力及土体塑性区半径等公式。陈兰云[3]采用UEPP2D程序,建立了围岩注浆模型,进行了数值分析,提出了注浆控制方法与检测手段。刘猛[4]采用FLAC3D软件与监测数据相结合的方法,分析了注浆前、后围岩塑性区和位移的变化,进行了软弱围岩隧道的注浆效果研究。从已有的研究成果来看,大多数研究集中于断层围岩在静力和地震作用下的施工力学行为,但注浆加固技术在爆破开挖下的研究还不够深入。当注浆范围过大时,会造成工程量的增大、浆液的浪费及施工成本的增加;当注浆范围过小时,达不到预期的控制效果,不利于围岩的安全稳定性。作者拟采用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟,针对预注浆加固技术,对断层围岩的动力响应影响问题进行讨论,从不同的注浆宽度和长度出发,分析注浆对断层围岩的影响;通过对断层围岩加固效果的评价,得到适合葵坝路隧道的最优注浆范围。

1 注浆加固理论

在隧道工程中,注浆机理主要有渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆及电动化学注浆4种[5]。根据浆液的物质组成和作用机理不同,分别适用于不同类别的土体和岩石中。

注浆是把浆液注入到岩体的弱结构面内,堵塞或充填裂隙,使之形成封闭裂隙,阻止地下水对岩体的侵蚀,以达到增强围岩的整体性、控制变形及改善围岩的力学性质的目的。

在相同应力作用下,未注浆时岩体强度达到极限状态;而注浆后的岩体处于稳定状态,自承能力有所提高[6]。因此,注浆技术主要是通过提高结构面的粘聚力和内摩擦角等力学参数,在摩尔-库伦强度准则下,使得岩体的强度得到了不同程度地提高。摩尔-库伦强度准则包络线如图1所示。岩体的强度增量表达式为:

式中:Δσ为岩体强度的增量;σ1,σ2和σ3均为岩体的强度;c1,c2分别为注浆前、后岩体的粘聚力;φ1,φ2分别为注浆前、后岩体的内摩擦角。

图1 摩尔-库伦强度准则包络线示意Fig.1 The envelope diagram of Mohr-Coulomb strength criterion

2 工程实例分析

2.1 工程概况

葵坝路隧道位于深圳市东部边境,全长4 792m(桩号YK0+746~YK5+538),上、下行分修,单向行驶。本工程岩体以花岗岩为主,受构造作用的影响,存在4条规模较大的断层。主要研究F2断层,其夹角为60°,产状310°/SW 55°,长5km,宽度5~10m,受原岩的性质所控制。

2.2 有限元模拟

2.2.1 模型的建立

依据葵坝路隧道岩体的分布特征,从最不利因素出发,选取F2断层为研究对象。通过运用ANSYS/LS-DYNA软件,进行断层隧道在爆破开挖下的数值仿真计算。由于左、右线隧道开挖进度不一致,且两隧道相距40m;因此,仅选取一个隧道进行动力响应研究。隧道开挖的影响范围为洞径的3~5倍,结合实际断面与地质条件,则模型参数设定为:模型尺寸为96m×50m×60m(L×W×H,如图2所示),其中,深色部分为断层,厚度7m且倾角60°。边界条件为:①前、后、左、右及底部边界施加法向约束,即位移为零;②顶部为自由边界,且不计上部荷载;③均为无反射边界,防止爆炸应力波反射到模型中。

图2 隧道计算模型Fig.2 Computation model of tunnel

2.2.2 断层模拟及参数选取

断层模拟的基本方法为参数弱化法和接触面定义法[7]。参数弱化法就是弱化岩体的物理力学参数,使其与周边岩体的性质有显著差别;接触面定义法就是对分界面的法向和切向刚度以及两侧岩体的容重、粘聚力和弹性模量等参数进行设置。为确保岩体的连续性和控制网格的变形,采用参数弱化法来进行断层的模拟。

在爆破作用下,围岩的力学参数发生了显著的改变。根据相关文献[8]和工程经验,动泊松比是静泊松比的0.8倍;而动弹性模量会有着不同程度的提高,如:坚硬致密岩体的动弹性模量会提高到1~5倍,软弱破碎岩体的动弹性模量会提高到20倍。围岩的动力力学参数见表1。

表1 围岩的动力力学参数Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock

2.2.3 模拟方案的设计

在爆破掘进开挖之前,考虑到掌子面顶部存在断层围岩,应对断层围岩进行加固处理。拟采用小导管超前预注浆来改善断层围岩的力学性能。

为了得到预注浆技术对断层围岩控制作用的大小,拟分别讨论未注浆和预注浆处理后断层围岩的位移、振速及最大主应力的动力响应特征分布规律。同时,为了寻求本隧道工程的最优注浆范围,拟在不同预注浆宽度和长度下,对围岩的位移、振速及最大主应力峰值进行对比和分析。拟定注浆范围:沿隧洞开挖线以外2,3,4和5m;且沿掌子面前方分别为3,4和5m。

3 预注浆对断层围岩的影响分析

断层具有低强度、大变形、强透水性及自稳能力差等特征。在爆破荷载作用下,断层围岩会产生大变形和强振动,而拱顶围岩是隧道中最薄弱的部位,因此,仅讨论断层拱顶围岩的动力响应分布特征。

3.1 不同预注浆宽度的影响分析

在注浆长度和其他材料参数维持不变的前提下,研究不同注浆宽度对断层围岩在爆破载荷作用下的影响。不同注浆宽度(2,3,4和5m)下,拱顶围岩的竖向位移和最大主应力的变化曲线分别如图3,4所示。

图3 注浆宽度对围岩竖向位移的影响Fig.3 The influence of grouting width on the vertical displacement of surrounding rock

1)竖向位移

从图3中可以看出,在特定注浆长度下,随着注浆宽度的增加,拱顶围岩的竖向位移随之减小。注浆长度为3m时,围岩竖向位移最大,而长度4和5m的竖向位移分布相近、曲线接近重合。由此可见,在一定注浆长度内,即竖向位移随着注浆宽度的增加而减小。

2)最大主应力

从图4中可以看出,在进行预注浆处理后,围岩的最大主应力分别为1.773,1.727,1.700和1.693MPa。注浆长度4和5m时,围岩最大主应力分布曲线接近重合。由此可见,在特定注浆长度下,最大主应力随着注浆宽度的增加而减小。当注浆宽度>4m时,最大主应力的变化较为显著;随着注浆宽度的增大,最大主应力的变化趋于平缓。

图4 注浆宽度对围岩最大主应力的影响Fig.4 The influence of grouting width on the maximum principal stress of surrounding rock

因此,不同的注浆宽度对围岩竖向位移和最大主应力的分布有较大影响,动力响应特征值都随着注浆宽度的增加而减小。

3.2 不同预注浆长度下的影响分析

讨论不同注浆长度下断层围岩的竖向位移和最大主应力分布情况。不同注浆长度(3,4和5 m)下,拱顶围岩的竖向位移和最大主应力的变化曲线分别如图5,6所示。

1)竖向位移

从图5中可以看出,宽度为2m时,在不同注浆长度下,围岩竖向位移分别为0.680,0.665和0.655mm,它们相差甚小;而注浆宽度为5m时,3种注浆长度的位移相差甚微,均不超过0.33mm。随着注浆长度的增加,拱顶围岩的竖向位移变化缓慢,尤其在4~5m范围内。由此可知,不同注浆长度对拱顶围岩竖向位移的影响很小。

图5 注浆长度对围岩竖向位移的影响Fig.5 The influence of grouting length on the vertical displacement of surrounding rock

图6 注浆长度对围岩最大主应力的影响Fig.6 The influence of grouting length on the maximum principal stress of surrounding rock

2)最大主应力

从图6中可以看出,在各工况下,围岩的最大主应力峰值为1.773MPa,最小主应力为1.6MPa。注浆长度<4m时,最大主应力的变化较为明显;随着注浆长度的增加,最大主应力的变化趋于平稳。由此可见,当注浆长度≥4m时,不同注浆长度对围岩最大主应力的影响很小。

因此,不同的注浆长度对围岩竖向位移的分布没有影响;注浆长度<4m时,其对最大主应力的分布有一定的影响,随着长度的增加而减小。

3.3 有无注浆的影响分析

为了对预注浆处理后断层围岩的加固效果进行评价,有必要对未注浆处理的断层隧道进行数值模拟。在预注浆处理后的围岩中,注浆长度为3m和宽度为2m时的断层围岩,其竖向位移和最大主应力最大,是不同注浆范围中最不利的条件。在未注浆和最不利注浆条件下,进行断层围岩的动力响应分析,得到围岩最大竖向位移、振速及最大主应力,见表2。

从表2中可以看出,在爆破荷载的作用下,与采用预注浆工序相比,未注浆拱顶围岩的动力响应特征表现显著。其中,竖向位移为5.181mm,而振速高达0.521m/s,分别为注浆区特征值的7.6倍和3倍,可能发生振动破坏。同时,断层围岩所受应力较小,但其抗拉强度为零,仍可能产生拉伸破坏。而注浆区的最大主应力为1.773MPa,但注浆后围岩的抗拉强度都高于2MPa,且位移和振速均较小。因此,注浆后的拱顶围岩也不会发生拉伸破坏。这表明进行预注浆处理可以在很大程度上改善围岩的动力响应,使之在预警值范围内,保证断层隧道在爆破施工下的安全稳定。

表2 围岩的动力响应特征Table 2 The dynamic response characteristics of surrounding rock

3.4 综合分析

在不同的注浆长度下,4m和5m的围岩竖向位移和最大主应力分布接近重合,可认为最优注浆长度为4m;在注浆宽度≥4m时,不同的注浆宽度对最大主应力的影响较小,且对围岩竖向位移的影响较小,不超过0.4mm。因此,在达到成本经济、进度合理及保证安全的前提下,建议实际隧道工程注浆宽度和长度均为4m。

4 结论

1)在预注浆支护技术下,断层围岩的动力响应特性有了显著的改善。其中,竖向位移变化和振速峰值均较小,而注浆处理后的围岩最大主应力显著增加。

2)断层围岩的动力响应与不同注浆宽度的有关。在一定的注浆范围内,围岩竖向位移和最大主应力随注浆宽度的增加而减小。

3)不同注浆长度对围岩竖向位移的影响甚小;而当注浆长度<4m,围岩的最大主应力随着注浆长度的增加而减小。

4)综合考虑围岩位移、振速及最大主应力的分布特征,建议对断层围岩采取小导管超前预注浆支护,且注浆最优范围为隧道轮廓线外4m和掌子面前方4m。

(References):

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[3]陈兰云,昝月稳,王杰,等.注浆技术加固滑坡区隧道围岩的分析研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(16):2761-2765.(CHEN Lan-yun,ZAN Yuewen,WANG Jie,et al.Reinforcement of surrounding rocks of the tunnel in the landslide area with grouting technology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(16):2761-2765.(in Chinese))

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