隧道时效大变形灾害的数值模拟与处治技术研究

隧道时效大变形灾害的数值模拟与处治技术研究

主要研究隧道工程。

何以群

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

摘要：随着我国社会经济的快速发展，高速铁路、公路和水利水电等工程的大规模建设，隧道软岩流变带来的大变形灾害越来越多。依托福建永宁高速石林隧道软岩大变形灾害相关问题，采用流变本构对大变形段进行了数值模拟分析，确定了二次衬砌最佳支护时段，并结合工程实际提出了大变形段围岩变形的控制技术。

关键词：隧道软岩；大变形；流变数值分析

0引言

随着我国社会经济的快速发展，交通工程的建设不断加快，不可避免地会遇到许多软岩问题[1-4]。特别是对隧道、大坝及边坡工程的稳定性具有显著的影响，如引发隧道的大变形等。围岩大变形机制不同，大变形的防治措施也不相同。国内外学者针对不同机制下发生的围岩大变形灾害提出了多种防治措施。

本文以福建永宁高速石林隧道工程发生软岩大变形灾害的里程段为依托，在现场灾害调查的基础上，对石林隧道大变形段进行了粘弹塑性数值模拟分析，并探讨了石林隧道大变形段在初期支护与二次衬砌条件下围岩与支护变形的时效性，可为类似软岩大变形的工程提供借鉴和参考。

1工程概况

永宁高速公路石林隧道位于永安市大湖镇，为双洞分离式隧道，单洞净宽12.52 m，隧道长2 870 m，最大埋深约460 m。

2010年8月—10月隧道右线进口开挖至YK14+260～YK14+320里程段。该段围岩主要为强—全风化泥岩和千枚状粉砂岩，碎裂—散体结构，岩质软弱，锤击声哑，有较深凹痕，地下水渗流严重，围岩自稳能力差，拱部未支护时极易坍塌，侧壁掉块现象严重，隧道右线进口段开挖至YK14+285断面，在YK14+270~YK14+285开挖段内出现突泥、涌水灾害。图1给出的则是发生突泥灾害后隧道内的情景，图2为施工中出现的涌水灾害。

图1　大变形段突泥灾害

图2　大变形段涌水灾害

石林隧道按新奥法原理设计和施工。软岩大变形段在实际施工中主要采用弧形导坑预留核心土法，局部地段采用CD法结合开挖。如图3所示，为弧形导坑预留核心土法示意图。

(a)横断面图

(b)Ⅰ—Ⅰ剖面图

2石林隧道大变形段的流变数值计算

2.1FLAC3D软件的二次开发

FLAC3D采用面向对象的语言Microsoft Visual C++对用户自定义本构模型程序进行编译[5]。模型的主要功能是根据给出的应变增量，得到新的应力。FLAC3D中以动态链接库文件(.dll文件)的形式来调用本构模型。采用动态链接库的优点主要有：

1)高版本的FLAC2D、3DEC、UDEC等其他Itasca软件均能使用该自定义本构模型(.dll文件)；

2)自定义本构模型的执行效率与软件自带的本构模型处在同一水平。

本文采用Microsoft Visual Studio 2013编写DBurgers模型的数值程序，得到名为DSCmodel.dll的模型动态链接库文件。

2.2数值模型的建立

2.2.1地质模型

选取石林隧道右线发生软岩大变形地质灾害的里程段作为模拟对象。在模拟中将断层破碎带简化成隧道底板5 m深度下的后3 m的水平软弱破碎带。计算模型中的上边界为地表，距离隧道底板90 m，底部边界距隧道底板50 m，左右两侧边界距隧道中心线50 m。模型的纵向长度以断面YK14+290为基准，沿隧道轴线方向长度为20 m。对模型边界进行位移边界条件约束，模型上表面定义为自由边界，左右侧面需施加X方向的水平约束，垂直于隧道走向的前后两面需施加Z方向的约束，而隧道底部则需施加向上的Y方向约束，隧道的初始地应力采用自重应力形式。由此建立的隧道三维地质计算模型如图4所示，计算模型共有47 340单元，201 958个节点。

图4　计算模型

2.2.2计算参数选取

石林隧道YK14+293~YK14+313里程段平均埋深约90m，围岩以断层破碎带为分界，主要呈现出3种岩性：断层破碎带上部岩体主要为强—全风化的泥岩、千枚状粉砂岩，节理、裂隙发育；断层破碎带主要为饱和的松散沙质土夹淤泥质黏性土；断层破碎带下部岩体主要为弱风化石英砂岩。因此，在模拟过程中，采用扰动状态本构模型模拟上部岩体，采用Mohr-coulomb本构模型模拟下部岩体及断层破碎带，依据石林隧道地质勘查资料和相关规范[6-7]，该里程段的隧道围岩的物理力学参数见表1所示。

表1　围岩力学参数

参照对石林隧道进行位移反分析所得参数[8]，结合试验所得流变参数及计算经验，本文在计算中所取围岩的流变参数取值见表2所示。

表2　围岩流变参数

2.3计算结果分析

2.3.1二次衬砌施作前

图5为隧道开挖后150 d内各监测点的位移计算结果。总体上看，开挖前10 d内，各点位移迅速增大，随后进入变形相对稳定的阶段，此时变形速率增长缓慢，在接下来的30 d内变形几乎不再发展。随后洞周收敛处于稳定阶段，变形量保持在0.24 m左右。随后拱顶沉降进入加速变形阶段，变形速率达到0.05 m/d，此时若不及时进行二次衬砌的施作，则围岩将产生不稳定蠕变，拱顶沉降将迅速增大，终将导致隧道围岩变形侵限，并可能发生大变形和塌方事故。因此，从围岩变形的角度来看，石林隧道二衬最佳施作时间为开挖后20～40 d。

图5　开挖150 d内监测点位移计算结果

2.3.2二次衬砌施作后

在下文的模拟过程中，根据上文对二衬最佳支护时间的分析，假定在隧道开挖后20 d施作二次衬砌，并展开详细计算。现场实测数据表明，隧道拱顶下沉明显，沉降量大，因此，本节主要以拱顶下沉变形为研究对象，对二次衬砌的合理施作时间进行分析和讨论。图6为施作二次衬砌后150 d时拱顶沉降的计算结果与未施作二次衬砌情况的对比。结果表明，在开挖20 d后施作二次衬砌，拱顶沉降变形基本得到了控制，拱顶沉降稳定在0.25 m左右。与施作二次衬砌前的计算结果相比，隧道围岩变形维持稳定，在相同的时间内并未出现加速蠕变阶段。可见二次衬砌的适时施作可以大幅地减小围岩变形速率，对围岩变形的进一步发展有较好的抑制作用，同时避免了围岩进入加速蠕变阶段，使隧道处于整体稳定状态。

图6　二次衬砌施作前后拱顶沉降曲线

3石林隧道软岩大变形控制技术研究

3.1二次衬砌施作前的变形控制

3.1.1支护参数变更

根据现场揭露地质以及已开挖段围岩变形情况以及数值模拟的结果可以得出，原设计的支护参数不足以控制围岩变形并保持稳定，遂对该大变形段的支护参数进行了调整，支护变更参数见表3所示。

表3　石林隧道围岩大变形段支护参数变更

采用超前小导管和管棚作为施工辅助措施。开挖前采用F2-2型双层小导管对前方围岩进行超前注浆加固。采用管棚Φ108钢花管对拱部进行超前支护，超前管棚每循环长20 m。

3.1.2施工措施

为稳固松散围岩，进一步减小隧道变形，将原设计径向中空注浆锚杆改为注浆小导管，长度3.0～5.0 m，左侧采用3.0 m，右侧采用5.0 m交错进行，环向间距1.5～2.0 m，变形较大处适当加密；径向系统加固范围，自变形处退后2榀拱架起至掌子面；为保证大变形段处理过程中掌子面的安全，在距离掌子面两榀拱架处施作超前注浆小导管，考虑到变形段施工场地限制及施工安全，超前注浆小导管长度调整为3.5 m，环向间距调整至0.3 m，纵向间距调整为1~2榀拱架间距，外插角可适当加大至20°。在小导管施工过程中随时注意围岩稳定情况，及时进尺补喷砼施工，以策安全。图7为利用注浆小导管对边墙围岩进行注浆加固现场情况图。

图7　边墙围岩的注浆加固

3.2二次衬砌施作后的变形控制

3.2.1底鼓灾害治理

隧道底鼓的防治包括2个方面：一是在产生显著底鼓前采取措施阻止或延迟底鼓发生；二是在隧道显著底鼓发生后采取相应措施控制底鼓。只有坚持预防为主治理为辅的原则，才能更好地保持底板岩层及整个隧道围岩的稳定性[9]。

由上节的计算可知，二次衬砌施作后，隧道拱顶沉降与周边收敛已得到控制，但在底板鼓起的过程中，仰拱结构易遭到破坏，因此，为保证隧道整体的稳定性和安全，必须对隧道底鼓进行治理。

底板断层破碎带的存在是导致石林隧道底鼓灾害发生的诱因之一，因此，采取何种方案针对这一灾害源进行有效控制是处治措施成功与否的关键。由于直接对隧道底板及下部一定厚度的破碎带进行注浆加固，并增强仰拱支护强度较为经济有效，因此，最终确定底鼓段采用先注浆加固、后换拱的措施以确保隧道安全。由于石林隧道大变形段仰拱隆起变形较大，所以采取2 m一循环的跳槽换拱方式，以减少换拱作业对二次衬砌的影响。表4为石林隧道大变形段仰拱及填充层处治参数。

表4　石林隧道大变形段仰拱与填充层参数

锚固注浆是一种结合锚固与岩体注浆加固对底鼓进行治理的技术。该项技术利用空心锚杆兼作注浆管，通过注浆泵从锚杆上的注浆孔压入浆液，使其扩散到岩体的裂隙内，对岩体实施“外锚内注”的加固。相较于底板锚杆支护和刚性结构支架来说，由于注浆浆液的压入、渗透、充填和固结等作用，锚杆注浆技术能使底板岩体、浆液和锚杆结合成整体，以更好地发挥围岩的自承载能力[10]。

3.2.2二次衬砌裂缝治理

隧道二次衬砌既是安全储备，也是承载结构。针对石林隧道大变形段二次衬砌开裂情况，裂缝处理施工情况如图8所示。处理方案如下：

1)裂缝缝宽小于或等于0.15 mm时，采用专用封口胶对表面进行封闭处理。

2)裂缝缝宽大于0.15 mm时，应先灌注结构胶，再在垂直裂缝的方向加贴一层300 g碳纤维布，最后顺着裂缝的方向粘贴第二层，每层纤维布的长度应从裂缝尖端向外各延伸0.25 m。

图8　边墙裂缝封闭

4结语

本文对依托工程石林隧道软岩大变形灾害及其控制技术进行探讨，并通过数值模拟手段对隧道二次衬砌的合理施作时间进行计算分析，主要结论如下：

1)二次衬砌施作前，隧道开挖前10 d变形速率较大，20 d后速率明显下降，进入稳定阶段；开挖40 d后，拱顶沉降再次迅速增长。石林隧道二次衬砌的合理施作时间为开挖后20～40 d。

2)在合理时间施作二次衬砌后，变形控制效果较好，可使隧道整体处于稳定阶段，且二次衬砌能够保持正常工作状态。

3)二次衬砌施作前，可采用加长锚杆、施作超前管棚、小导管注浆加固等措施控制围岩变形发展。

4)二次衬砌施作后，可通过替换仰拱进行底鼓灾害治理，并对二次衬砌裂缝进行封闭处理，以控制裂缝的发展。

参考文献

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[9] 邓涛，黄明，詹金武.石林隧道底鼓灾害的特征与机理研究[J].工程地质学报，2014，22(1)：173.

[10] 郝相龙.半煤岩软底隧道底鼓机理与治理技术研究[J].中国煤炭，2006，3(32)：32-4.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.005

收稿日期：2015-04-30

作者简介：何以群(1971-)，男(汉)，福建省连江县，高级工程师

中图分类号：U459

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)02-0016-05

The numerical simulation and treatment technology research
on tunnel time-dependent large deformation disaster

HE Yi-qun

(FujianChuanzhengCommunicationsCollege，Fuzhou350007，China)

Abstract：With the rapid development of social economy in China，and the large-scale constructions of high-speed railway，highway，water conservancy，and hydropower projects，the disasters are becoming more and more caused by tunnel soft rock rheology.Based on the related issues of tunnel soft rock large deformation disasters in Shilin tunnel of Fujian Yongning high-speed，the numerical simulation analysis to large deformation sections have been made in this paper by using rheological constitutive model.The optimal supporting time of secondary lining has been determined.It also proposes the control technology of rock deformation in large deformation sections combining with practical engineering constructions.

Key words：tunnel soft rock；large deformation；rheology numerical analysis