泥巖隧洞變形特性 FLAC 3D數(shù)值模擬分析,地質(zhì)工程論文

泥巖隧洞變形特性FLAC3D數(shù)值模擬分析,地質(zhì)工程論文隨著水利基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展,工程建設(shè)行業(yè)越來越多的碰到軟巖或極軟巖隧洞施工的一系列問題.在具有應(yīng)力高、含水率大等特性的軟巖中成功掘進隧洞的實例越來越多[1~3].然而,第三系泥巖淺埋水工隧洞工程實踐還不多,其研究成果、治理方案及經(jīng)歷體驗也較少.河北省保定市王快水庫和西大洋水庫綜合管理工程是迄今為止河北省水利建設(shè)史上工程種類尤為齊全、地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜、施工難度較高的引調(diào)水工程,是通過王快水庫和西大洋水庫聯(lián)合調(diào)度,向白洋淀及保定市一畝泉水源地調(diào)水的長距離引水工程.灣子隧洞工程是該工程的主要控制性工程,位于河北省曲陽縣境內(nèi).灣子隧洞主洞長4450m,采用圓拱直墻式無壓隧洞,洞寬2.5m,洞高3.35m,設(shè)計流量10m/s.隧洞出口段走向為NE64,約有長度800m的圍巖為第三系始新統(tǒng)西坡里組泥巖(E2X)(見圖1),屬極軟巖,在掘進經(jīng)過中發(fā)生了拱頂坍塌、片幫、整體失穩(wěn)等多種不良工程地質(zhì)問題.本文通過地質(zhì)定性分析、FLAC3D三維數(shù)值模擬等方式方法,對泥巖隧洞變形及塌方的特征和機理進行了分析研究.1泥巖隧洞工程地質(zhì)條件隧洞位于曲陽縣山前丘陵區(qū),地處太行山隆起與冀中斷陷的過渡帶,早第三紀時期以整體抬升為主,區(qū)域構(gòu)造活動受紫荊關(guān)-靈山斷裂和太行山山前斷裂控制,構(gòu)成了一系列北東向斷層、褶皺構(gòu)造格局.第四紀以來,上述斷裂活動逐步趨向微弱,近場區(qū)斷裂構(gòu)造均為非活動斷裂.紫荊關(guān)-靈山斷裂為正斷層,距灣子隧洞1km左右,大部分地段的斷層破碎帶被覆蓋層掩埋.第三系西坡里組地層傾向NW270~300,傾角5~15,地質(zhì)構(gòu)造以陡傾角張性裂隙為主.灣子隧洞泥巖段地表覆蓋松懈黃土狀壤土,厚13~20m,中等密實,屬中等壓縮性土,無濕陷性,土體穩(wěn)定性較好,浸透系數(shù)8.310^-6~2.410^-4cm/s,透水性屬中等至微透水.2泥巖隧洞變形特性FLAC3D數(shù)值模擬分析采用FLAC3D有限差分程序進行模擬,分析淺埋泥巖隧洞的變形特性,該程序的基本原理與離散元類似,但有限差分程序能夠?qū)B續(xù)介質(zhì)進行大變形分析,十分合適研究軟巖的大變形問題.2.1數(shù)值模型灣子隧洞出口為人工陡坡地形,坡高15-20m,坡度39左右,隧洞出口位于坡底.該洞段原設(shè)計初期支護采用鋼筋格柵拱架、鋼筋網(wǎng)片、噴混凝土聯(lián)合支護的方式方法,厚度為20cm;永久襯砌采用鋼筋混凝土,厚度為40cm.數(shù)值模型橫向取10倍洞徑,洞口向上游方向取150m,洞口向下游方向取60m.模型總共劃分為25140個單元,27561個結(jié)點.鋼筋格柵拱架及噴混凝土綜合效用等效為360個block實體單元,錨桿等效為400個cable單元,計算網(wǎng)格見圖2.采用理想彈塑性模型和摩爾-庫侖毀壞準(zhǔn)則,除原地表為自由邊界外,模型底部為固定約束邊界,模型四周為單向邊界,僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場.根據(jù)地質(zhì)勘察成果,參考工程經(jīng)歷體驗,數(shù)值模擬分析參數(shù)選取為:泥巖天然密度2.12g/cm,內(nèi)摩擦角15.7,粘聚力2.210^4Pa,泊松比0.36,楊氏模量1.210^7Pa.數(shù)值模擬分析時考慮地下水滲流作用,進行流固耦合計算,流體體積模量2.910^9Pa,孔隙率近似為0.5,浸透系數(shù)5.910^-7m/s.2.2計算結(jié)果分析泥巖隧洞全斷面采用挖掘機開挖,簡化為全斷面分段開挖,步長為3.0m進行仿真計算,分別按無支護、考慮初期支護等工況進行模擬計算.(1)無支護工況不考慮初期支護作用的條件下,數(shù)值模擬開挖至15m后模型網(wǎng)格變形過大而無法繼續(xù)計算.分析其地質(zhì)條件,泥巖飽和單軸抗壓強度0.26~2.49MPa,屬極軟巖,天然狀態(tài)下呈硬、可塑至硬塑狀,炭質(zhì)軟弱夾層呈褐色至灰黑色,呈可塑狀.泥巖遇水易軟化,易崩解,強度低,天然狀態(tài)下含水量較大,開挖后洞璧泥巖暴露在空氣中易失水干裂,產(chǎn)生柱狀裂隙,屬Ⅴ類圍巖[4].毛洞條件下泥巖隧洞自穩(wěn)時間較短,與上述數(shù)值模擬結(jié)果一致.(2)考慮初期支護作用工況為了模擬實際工況,模擬計算中初期支護滯后于開挖一定時間,分別按初期支護滯后掌子面5m、10m考慮.計算結(jié)果表示清楚,初期支護滯后掌子面10m時,拱頂下沉位移較大,變形量隨時間不斷增加,即講明初期支護滯后太遠,掌子面附近毛洞不能自穩(wěn);當(dāng)初期支護滯后掌子面5m時,網(wǎng)格節(jié)點變形量最后趨于定值,講明該工況下圍巖基本能維持穩(wěn)定.初期支護滯后掌子面5m工況下,除因洞臉邊坡較陡而出現(xiàn)潛在滑移外(見圖3),泥巖洞室變形的主要形式為底鼓、邊墻內(nèi)移和拱頂下沉,并且變形范圍及變形量隨掌子面掘進而向前發(fā)展.數(shù)值模擬顯示,距隧洞出口80m處的橫斷面上,垂向位移(見圖4)主要表現(xiàn)為底鼓和拱頂下沉,并具有左右兩側(cè)近似對稱的特點,拱頂下沉位移量總體小于底鼓位移量,兩側(cè)邊墻鉛垂向位移很小;其徑向水平位移(見圖5)主要表現(xiàn)為兩側(cè)邊墻呈近似對稱的內(nèi)縮收斂變形,變形量最大值位于兩側(cè)邊墻,拱頂和底板處的水平位移很小.數(shù)值模擬結(jié)果顯示,泥巖隧洞底鼓最大位移量大于邊墻內(nèi)移位移量,拱頂下沉位移量相對較小.分析主要原因是,初期支護時底板尚未封閉,隨著底鼓變形的發(fā)展,造成邊墻底腳失穩(wěn),兩側(cè)邊墻隨之發(fā)生內(nèi)移,最后影響到拱頂巖體的穩(wěn)定性.錨梁網(wǎng)和拱架聯(lián)合支護方式方法是應(yīng)力轉(zhuǎn)化多、圍巖強度保衛(wèi)好的一種支護技術(shù)[5~7],如及時進行永久襯砌,這類圍巖的有害變形是完全能夠控制的.3主要工程地質(zhì)問題3.1軟弱夾層引起的拱頂塌方該隧洞部分洞段分布有炭質(zhì)軟弱夾層,厚5~20cm,呈軟塑狀態(tài).當(dāng)軟弱夾層出露于拱頂時,拱頂巖體自穩(wěn)時間減少,拱頂易發(fā)生剝皮狀塌方.初期支護應(yīng)緊跟掌子面,必要時增加超前支護.但軟弱夾層經(jīng)常含水量較大,多呈可塑狀態(tài),如仍按原設(shè)計斷面進行初期支護,拱頂軟弱夾層塌落料堆積于初期支護之上,增加支護所承受的荷載,而且支護與圍巖間存在過大間隙,兩者協(xié)同作用和拱形良好的受力性能降低,不利于隧洞拱部的長久穩(wěn)定.類似工程地質(zhì)條件下的某引水隧洞,曾采用木板、廢棄輪胎等充填塌方后的空腔,在永久襯砌后隧洞仍然發(fā)生大型塌方.比擬理想的處理措施是,去除拱頂外露的軟弱層,將拱架支撐在性能相對較好的泥巖地層之上.但應(yīng)根據(jù)洞室斷面及時調(diào)整拱架形狀,施工難度較大.3.2陡傾角張性裂隙易造成楔形塌方隧洞距紫荊關(guān)-靈山斷裂正斷層1km左右,隧洞出口段第三系地層傾角5~15,地質(zhì)構(gòu)造以張性裂隙為主,傾角大于70,走向與洞軸線夾角一般小于45,延伸長度大于5m.由于泥巖強度低,在陡傾角節(jié)理和裂隙影響下,易在構(gòu)造面下面至邊墻之間構(gòu)成楔形狀塌方(見圖6).塌方發(fā)生忽然,易給施工人員造成傷害.本工程總結(jié)的經(jīng)歷體驗是,施工時應(yīng)重視地質(zhì)條件分析,在掌子面附近發(fā)現(xiàn)類似節(jié)理或裂隙時,拱頂應(yīng)增加超前錨桿支護,這在隧洞施工中獲得了良好的預(yù)防效果.3.3地下水引起的工程地質(zhì)問題灣子隧洞出口段埋深淺,地表壤土層局部含角礫,具強透水性,地下水多分布于壤土與泥巖結(jié)合處.洞頂巖體厚3~19m,賦存于地表壤土層中的孔隙潛水接受降雨入滲補給和兩側(cè)溝谷側(cè)向補給,受季節(jié)影響較大.下部泥巖一般含水量較大,十分是在地表壤土層厚度大、拱頂泥巖厚度小的洞段,拱部穩(wěn)定性較差.泥巖隧洞開挖后,洞壁巖體暴露在空氣中易失水干裂,產(chǎn)生柱狀裂隙,易產(chǎn)生剝落或掉塊現(xiàn)象.該類巖體易開挖成洞,但易產(chǎn)生塑性變形,應(yīng)及時采取襯砌措施.3.4極軟巖隧洞極易發(fā)生整體失穩(wěn)灣子隧洞自出口向上游掘進86m后,掌子面附近約50m的洞段發(fā)生了整體失穩(wěn),即拱頂下沉、邊墻內(nèi)移、底板起鼓(見圖7),變形位移量達10~70cm;初期支護外表分布多條環(huán)向裂縫,對應(yīng)的地表塌陷,出現(xiàn)多條縱向裂縫,寬12~20cm,長達8~25m.隧洞整體失穩(wěn)的主要原因是,由于該洞段初期支護底板未及時封閉,也未進行永久襯砌,當(dāng)掌子面附近的毛洞拱頂發(fā)生塌方,塌方高度大于10m時,拱頂圍巖構(gòu)成垂向臨空面,泥巖向臨空面發(fā)生塑性變形,變形自掌子面向后發(fā)展,拱頂塌方發(fā)生5h后最終導(dǎo)致附近洞段整體失穩(wěn).工程實踐表示清楚,初期支護底板及時封閉和施作永久襯砌對確保軟巖隧洞穩(wěn)定特別重要[8,9].采用FLAC3D數(shù)值計算模擬上述工況,當(dāng)掘進85m后挖除拱頂巖體繼續(xù)運算,計算12步后模型畸變而無法計算.可見數(shù)值模擬分析結(jié)果與該隧洞實際開挖情況相符.3.5底板支護滯后引起的工程地質(zhì)問題從安全角度考慮,泥巖隧洞應(yīng)及時進行全封閉支護,但底板與拱墻初期支護同時施工,由于混凝土存在養(yǎng)護期,會制約工程的施工進度.因而,拱墻部位的初期支護一般及時跟進掌子面,而對底板起封閉性的初期支護經(jīng)常遠遠滯后,因而造成眾多不良工程地質(zhì)問題,比方邊墻底腳內(nèi)移、片幫(見圖8)及底板起鼓,底板裸露的泥巖經(jīng)施工車輛碾壓后常構(gòu)成彈簧土,影響隧洞支護與襯砌質(zhì)量.比擬理想的方式方法是,及時封閉底板,并在底板混凝土之上鋪設(shè)可重復(fù)利用的鋼板,用以保衛(wèi)新澆注的混凝土和及時進行下道工序的施工.3.6極軟巖隧洞掘進方面存在的問題泥巖地層多呈可塑至硬塑狀態(tài),堅固系數(shù)0.6~1.0,圍巖類別為Ⅴ類[4],一般無法采用常規(guī)爆破法開挖.本工程起先采用人工手持風(fēng)鎬、分上下臺階開挖,但人工開挖速度慢,分上下臺階開挖工序穿插多,不知足施工進度要求.后來引進了EBZ型單臂隧洞巖石掘進機,但存在的問題是泥巖含水量大,泥巖粘在鉆頭臂上降低了切割效率,且泥巖底板承載力太低,掘進機陷入底板無法行走.最后選用小型挖掘機,獲得了比擬理想的效果.4結(jié)論通過上述分析研究,得出的主要結(jié)論有下面幾點.(1)極軟巖隧洞變形的主要形式為底鼓、邊墻內(nèi)移和拱頂下沉.初期支護底板不封閉時,泥巖隧洞變形最初具體表現(xiàn)出為底鼓,然后為邊墻內(nèi)移及拱頂下沉.(2)軟弱夾層、張性裂隙、地下水等不良地質(zhì)因素,以及底板初期支護滯后等施工因素,對泥巖隧洞穩(wěn)定性存在明顯的不利影響,極易引起拱頂塌方、片幫甚至整體失穩(wěn).極軟巖隧洞初期支護應(yīng)緊跟掌子面,并及時進行永久襯砌.(3)小型挖掘機應(yīng)用于小斷面泥巖隧洞能獲得比擬理想的效果.(4)極軟巖極易發(fā)生大變形而造成工程事故,有必要采用超前探測[10]或其它可行的監(jiān)控量測手段,以便及時發(fā)現(xiàn)圍巖變形異常情況,及時預(yù)警并采取必要措施.參考文獻[1]何滿潮,陳新,梁國平等.深部軟巖工程大變形力學(xué)分析設(shè)計系統(tǒng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,(5):934~943.[2]郭富利,張頂立,蘇潔等.地下水和圍壓對軟巖力學(xué)性質(zhì)影響的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,(11):2324~2332.[3]吳德義,程樺.軟巖允許變形合理值現(xiàn)場估算[J].巖土工程學(xué)報,2008,(7):1029~1032.[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn).水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287-2008)[S].北京:中國計劃出版社,2018.[5]孫國文,陳素娟.高應(yīng)力軟巖條件下煤礦巷道支護研究與實踐[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008,(1):33~35.[6]何滿潮,郭志飚,任愛武等.柳海礦運輸大巷返修工程深部軟巖支護設(shè)計研究[J].巖土工程學(xué)報,2005,(9):977~980.[7]尹光志,王登科,張東明.高應(yīng)力軟巖下礦井巷道支護[J].重慶大學(xué)學(xué)報(