富水泥岩大断面隧道开挖面稳定性及加固方式

刘德安, 梁 雄, 汤 宇, 林三国, 彭雨杨

(1.中铁五局集团第一工程有限责任公司, 长沙 410117； 2.中南大学土木工程学院, 长沙 410075)

巴东组紫红泥岩是红层软岩的一种,广泛分布于鄂西南及川东地区,由于地处鄂西高原和四川盆地的过渡地带,成岩环境的复杂性造就了岩层较差的工程地质力学性质,在该类地层进行隧道、边坡等工程建设过程中存在较大的安全隐患[1-2]。目前,国内外学者针对巴东组紫红泥岩进行了有益探索:岳全庆等[3]、申培武等[4]对三峡库区巴东组泥岩矿物成分、微观结构以及遇水崩解过程中的物性变化及分形特征等进行了系统的研究；肖尊群等[5]、陈从新等[6]采用单轴、三轴、流变等力学试验证明了巴东组紫红泥岩存在较明显的水-岩软化特性。研究主要集中在巴东组紫红泥岩的工程地质特征、宏微观物理力学特性、崩解形态特征等方面,且多以边坡、库水沿岸等为工程背景,而针对隧道穿越该地层的开挖面稳定性研究在国内外十分匮乏。

目前,软弱围岩下隧道掌子面的稳定性研究主要包括掌子面稳定性评价、失稳过程、支护加固分析等方面。黄锋等[7]运用离散元方法,从水平、竖向位移、围岩裂隙发展等方面分析了断裂破碎带隧道开挖围岩稳定性的影响规律；王志杰等[8]基于离散元方法,从掌子面前方应力、位移等方面对深埋风积沙地层隧道掌子面稳定性进行了研究；安永林等[9]通过掌子面安全系数、位移包络线等探讨了上软下硬地层隧道掌子面稳定性及塌方形态,以上隧道开挖面稳定性分析方法具有较好的借鉴意义。而在巴东组紫红泥岩地层隧道开挖面研究方面,仅有郑万高铁针对开挖面超前预加固进行了创新研究[10],特别是在全断面超前帷幕注浆加固方法和施工工艺等方面进行了成功探索[11]。针对巴东组富水泥岩大断面隧道开挖面稳定性评价及失稳机制分析等方面研究目前还未见。

基于此,以郑万高铁湖北段巴东隧道为工程依托,基于岩土控制变形分析对穿越富水泥岩(T2b2)段隧道开挖面稳定性进行评价,采用颗粒离散元法建立隧道开挖模型,分析开挖面失稳过程,从宏细观两方面探讨前方围岩变形破坏特征,并基于分析结果为超前帷幕注浆参数设计提供参考。

1 工程概况

巴东隧道起止里程为D1K600+302～D8K613+540,全长132 38 m,最大埋深631 m,隧道开挖跨度约15 m,开挖断面面积约150 m2,属于单洞双线超大断面隧道[12]。隧道D8K612+810～+580段穿越二叠系巴东组二段(T2b2)紫红泥岩地层,围岩遇水软化明显,节理裂隙发育,且该段地表有两条深切冲沟汇交于隧道上方,地形破碎,冲沟与隧道交叠范围主要为D8K612+730～+670,如图1所示,该地段设计为Ⅴ级围岩,现场采用机械化全断面法或微台阶法施工。受当地降雨补给,勘察期间D8K612+680处钻孔揭示地下水水位约427.31 m,仅低于地表约3 m,现场施工时发生开挖面突泥涌水、拱部溜塌等工程问题,严重影响到施工安全及进度。

图1 巴东隧道富水泥岩段地表地形

2 富水泥岩开挖面稳定性评价

2.1 开挖面稳定性评价方法

岩土控制变形分析法,是确保隧道安全穿越复杂地层和实现全断面开挖的一种动态设计施工指导原则,其核心思想是通过对隧道开挖面超前核心土的勘察和诊断,预测其稳定情况,进而选择合适的超前加固措施,实现开挖面超前核心土的防护与加固。该工法将施工阶段的隧道变形归为以下三类:收敛变形、预收敛变形和挤出变形,如图2(a)所示。此外,隧道开挖造成围岩原始应力沿隧道轮廓形成拱效应,其形成和位置与隧道的变形及稳定性密切相关,可通过岩体开挖的变形响应来判断[11],成拱类型分为以下3种,如图2(c)所示,对应于开挖面三类稳定性形态。

图2 隧道变形及拱效应类型图[13]

(1)A类:开挖面稳定形态,接近隧道开挖轮廓面自然形成拱效应。

(2)B类:开挖面短期稳定形态,远离隧道开挖轮廓面形成拱效应,需借助适当的围岩稳定性处理措施才能在开挖轮廓面附近形成拱效应。

(3)C类:开挖面不稳定形态,不形成拱效应,应对围岩采取相应措施,人工形成拱效应。

2.2 巴东隧道开挖面失稳状况分析

巴东隧道自D8K612+810里程进入富水泥岩段,施工期间初支不同部位均出现不同程度的漏水、局部侵限等现象,受当地降雨影响,开挖面最高日涌水量约4 400 m3,随后分别在D8K612+746.8、D8K612+732.4里程开挖面前方及拱部发生溜塌,溜塌体积分别约300 m3、800 m3。现场溜塌、突泥涌水情况如图3所示,溜塌示意如图4所示。

图3 巴东隧道D8K612+747～+732现场情况

图4 巴东隧道富水泥岩段开挖面溜塌平面示意

经现场勘察分析,巴东隧道穿越富水泥岩段开挖面前方无法形成拱效应,超前核心土处于松弛状态,将该段开挖面稳定性判定为“C类形态”,须对隧道开挖面超前核心土采取有效的防护及加固措施,从而控制开挖工程中超前核心土的变形及隧道洞身的收敛变形,保证大断面隧道机械化全断面法或微台阶法施工安全。

3 富水泥岩隧道开挖面失稳分析

3.1 富水泥岩隧道开挖模型

颗粒离散元方法PFC2D从细观尺度仿真岩石矿物颗粒的大小及其间的连接与摩擦来实现宏观材料的组构,利用颗粒流程序的平行黏结模型仿真岩石类材料细观力学响应,可充分反映岩石类材料的本质属性[14]。围岩稳定时,各颗粒通过接触力相联系可模拟连续介质的性质,而当围岩遭受扰动,发生溜塌等失稳现象时,颗粒间接触消失又可模拟运动过程。

以巴东隧道富水泥岩段开挖面溜塌范围为研究对象,进行二维离散元隧道开挖数值模拟。计算断面尺寸为80 m(长)×140 m(高),隧道埋深85 m,洞身高度13 m,掘进长度为20 m,颗粒间接触采用平行黏结模型,参照文献[15]对巴东组富水饱和紫红泥岩的细观力学参数的标定结果,进行本次富水泥岩地层细观力学参数的赋值,如表1所示。

表1 颗粒细观参数值

初始地层孔隙率为0.1,岩体颗粒采用圆盘颗粒模拟。在此基础上,根据模型尺寸利用“刚性墙体wall”生成模型边界,采用分层欠压法[16]生成地层模型,地层模型共分7层；将压密阶段的颗粒间接触力清零,重新赋予重力场以及富水泥岩细观模型参数,计算至平衡,即完成初始地层的构建；将隧道纵断面开挖轮廓导入初始地层模型中,删除轮廓内的颗粒,并利用“墙体wall”生成已开挖段落初支,即完成富水泥岩地层隧道开挖模型的构建。

模型如图5所示,其中共有颗粒25 921个,最小粒径为0.3 m,粒径比1.5,颗粒密度2 700 kg/m3。需要指出的是,本次研究重在分析隧道开挖后开挖面前方围岩情况,因此已开挖隧道初支简化为完全刚性。

图5 隧道开挖数值模型

3.2 开挖面失稳过程及围岩松动范围

隧道开挖过程中,剪切破裂面的形成与发育是围岩进入塑性破坏状态的重要表征。在基于颗粒离散元方法进行隧道开挖计算中,颗粒之间因摩擦而引起的相对转动是围岩产生剪切破坏的细观解释[17]。本文研究中,通过提取模型各颗粒的转动量来分析巴东隧道开挖面溜塌过程及围岩破坏特征。各计算时步下模型颗粒的转动量云图如图6所示。

X为隧道中线方向距离标尺；Y为隧道高程方向距离标尺

由图6可知,在开挖结束初期step=4 000时(step代表PFC2D中的计算步),剪切破裂面最先由开挖面前方核心土及开挖面上方开始发育,开挖面显现出微弱的挤出变形；在4 000～8 000 step阶段中,剪切破裂面向开挖面前方、斜上方围岩深处发育,拱部围岩松动范围不断扩大,开挖面挤出变形明显增大；随着计算时步的增加,在8 000～12 000 step阶段中,开挖面前方核心土及拱部围岩剪切破裂面趋于联通,开始进入松弛状态,开挖面出现局部岩块塌落；当step=18 000时,开挖面前方核心土及开挖面拱部围岩已经完全进入塑性破坏,由于无法支撑前方围岩压力,开挖面发生明显溜塌,形成如图8(d)所示溜塌区,与现场实际溜塌情况较为吻合,因此确定计算终止步数为18 000 step。

分析围岩破坏形态可知,step=18 000时,隧道拱部形成围岩松动区,松动区上边界与拱顶径向距离为4.5 m,纵向分布于开挖面前方15 m内,隧底泥岩颗粒转动量较小,剪切破坏不明显。

3.3 开挖面前方围岩位移及接触力

为进一步了解开挖面前方围岩整体扰动情况,选取step=18 000时的围岩位移场与围岩颗粒接触力链分布情况进行分析,如图7所示。

由图7(a)可知,隧道开挖面前方及拱部围岩坍塌,颗粒产生较大向下的位移,随开挖面距离的增加,位移等值线总体呈现出轮廓逐渐扩大,数值逐渐减小的溜塌体形态。但值得注意的是,开挖面前方隧底围岩呈现向上隆起的位移,靠近开挖面颗粒位移值达到0.3 m,整体形成由0.06 m位移等值线包围的隆起区域,下边界与隧底径向距离为4.0 m,纵向分布于开挖面前方15 m内。

X为隧道中线方向距离标尺；Y为隧道高程方向距离标尺

图7(b)中,接触力链由黑色短线表示,短线粗细代表接触力的大小(最粗为250 kN),隧道开挖面前方溜塌范围颗粒接触力链均已断裂,拱部围岩颗粒接触力链分布稀疏,形成松动区。而隧底前方围岩(红线标识范围内)颗粒间接触力链数量也大幅减少(多数断裂),且残余接触力链数值较小,围岩黏结较差。以上结果表明,隧道开挖面失稳过程中,由于应力释放及上方围岩流失产生的卸荷效应,隧底前方围岩向上隆起,围岩发生移动、破碎,颗粒间接触力链断裂,发生一定程度的破坏。

3.4 开挖面前方围岩松散程度

隧道施工隐蔽性强,难以实时掌握围岩情况,开挖面发生失稳,围岩受到极大扰动,孔隙率较初始地层发生变化,对于注浆加固等方面的施工控制产生重要影响。选取隧道开挖面发生溜塌(step=18 000)时的颗粒转动场,如图8所示,对开挖面前方拱部松动范围(红线框选)及隧底相应面积区域(蓝线框选)围岩孔隙率进行分析,进一步评价围岩松散程度。需要说明的是,为充分覆盖拱部松动区域和隧底前方隆起区域,研究范围径向扩展至5 m。

X为隧道中线方向距离标尺；Y为隧道高程方向距离标尺

利用PFC2D内置Fish函数对指定封闭区域的颗粒进行遍历,得到该区域范围内不同粒径颗粒的数量,并根据单个颗粒面积进一步求得该区域内颗粒的总面积,最后结合该区域面积,通过式(1)即可求得该区域内围岩孔隙率,本次分析范围的围岩孔隙率计算参数及结果如表2所示。

表2 围岩孔隙率计算参数及结果

(1)

式(1)中：n为孔隙率；Sb为圆盘颗粒总面积；S为指定区域面积；M为指定区域圆盘颗粒总数目；rMi为第i个圆盘颗粒半径。

开挖面失稳后,前方拱部松动区围岩孔隙率为0.186,较初始地层孔隙率(0.1)增加86%,隧底对应区域孔隙率为0.104,较初始地层基本无变化,分析原因为:开挖面失稳过程中,主要为拱部围岩颗粒发生坍塌、流失,导致该松动范围孔隙发育,开挖面前方隧底围岩虽有一定隆起,但围岩颗粒未随开挖面发生溜塌,因此孔隙率变化甚微。围岩孔隙率是隧道注浆量控制标准计算的控制指标之一,设计注浆量随围岩孔隙率增大而增加。以上结果可为注浆施工控制提供参考:为实现良好的注浆加固效果,隧道拱部注浆量控制标准应按开挖面失稳后的围岩孔隙率进行设计,而隧道底部注浆量控制标准则按初始地层孔隙率进行设计。

4 巴东隧道超前帷幕注浆加固应用

4.1 超前帷幕注浆加固方案

基于2.2节中巴东隧道开挖面稳定性评价结果,对开挖面超前核心土周围地层进行加固,可有效稳固超前核心土。二叠系巴东组二段(T2b2)紫红泥岩遇水易崩解,崩解后黏结性较差,针对以上围岩情况,提出“超前帷幕注浆+超前管棚”的超前注浆加固方案,在隧道开挖面前方形成高强度的防护壳,且保证形成拱效应。

通过超前帷幕注浆可在超前核心土周边形成一道止水帷幕,减小地下水渗流量,同时加固围岩,并结合洞身超前管棚刚性支护,提高帷幕固结体的承载能力[18]。根据3.2节、3.3节数值计算结果,开挖面发生溜塌后,前方拱部径向4.5 m,纵向15 m范围进入松动区,同时,开挖面前方隧底径向4.0 m,纵向15 m范围也存在接触力链多数断裂,围岩隆起、破坏现象。考虑到地表冲沟与隧道交叠范围,为保证后续隧道机械化全断面法或微台阶法施工安全,设计在D8K612+732～+677段施作两循环超前帷幕注浆,且注浆范围略大于围岩松动区域计算结果,每循环注浆设计参数[12]如表3所示,超前帷幕注浆如图9所示。

图9 超前帷幕注浆三维示意图

表3 注浆加固设计参数

其中,在开挖面前方15 m处设置注浆补充断面,每循环设置注浆孔80个,终孔断面布置57个孔,补孔断面23个孔,终孔间距不大于2 m。注浆材料以P.O42.5硅酸盐水泥-水玻璃双液浆为主,普通硅酸盐水泥单液浆为辅,单循环全环设计注浆量为3 500 m3,其中拱部及边墙为2 825 m3,隧底为675 m3,注浆终压为1.5～2 MPa,当注浆压力达到设计压力并稳压10 min后,即可结束单孔注浆。

4.2 现场注浆效果综合评价

注浆结束后,采用钻孔成像法、拱顶沉降监测、开挖面涌水量统计分析及开挖面揭露法对注浆效果进行综合评价。通过钻孔成像结果与开挖揭露开挖面情况发现,钻孔内壁平顺、浆脉清晰,开挖面拱部围岩注浆加固圈明显；在超前帷幕注浆结束后,开挖面涌水量明显下降并趋于收敛(收敛值:200～300 m3/d),得到较好的控制；隧道开挖过程中,典型断面拱顶沉降呈现先增加后趋于收敛的发展规律,最终沉降收敛值在均在10 mm以内。此外,现场平均每循环帷幕注浆量为3 202 m3,达到计注浆量的91.5%。以上结果表明超前注浆加固效果理想,可在开挖面前方形成较好的拱效应,对开挖面超前核心土起到有效加固及防护作用,保证隧道施工安全顺利进行。

5 结论

(1)巴东隧道穿越富水泥岩段开挖面突泥涌水、溜塌现象较为严重,基于岩土控制变形分析法将开挖面稳定性评价为“C类稳定形态”,并结合工程实际,提出采用“超前帷幕注浆+洞身超前管棚”对开挖面超前核心土进行加固及防护。

(2)利用颗粒流软件PFC2D对隧道开挖面失稳过程进行了演化分析,结果表明,开挖面失稳过程具有渐进破坏的特性,随着剪切破裂面向围岩深处发育,开挖面逐渐出现挤出变形,局部块体塌落直至发生明显溜塌,且开挖面前方拱顶径向4.5 m,纵向15 m范围进入松动区,进一步说明巴东隧道富水泥岩段开挖面前方无法自然形成拱效应。

(3)开挖面失稳后,前方拱部松动区颗粒接触力链分布稀疏,产生较大向下位移,位移等值线呈现明显溜塌体形态,松动区孔隙率增至0.186；隧底前方围岩出现向上隆起现象,形成隧底径向4.0 m,纵向15 m范围的隆起区域,该区域接触力链多数断裂,且残余接触力链数值较小,说明开挖面失稳过程中,由于应力释放及卸荷效应,隧底前方围岩发生移动、破碎,同样遭受较大程度的扰动。

(4)依托工程实际,考虑隧道开挖面失稳后,前方拱部围岩松动范围及隧底扰动范围,为超前帷幕注浆参数设计提供参考,实践表明现场应用效果良好:实际帷幕注浆量达到设计注浆量的91.5%,并经多手段验证,表明注浆加固效果良好,可在开挖面前方起到较好的拱效应。