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高水位下软弱破碎带围岩开挖变形分析*

更新时间:2009-03-28

弱质岩体在大自然的作用下发育着大量的裂隙、孔隙和节理面,由于这些裂隙的存在,为地下水活动提供了相应的空间,同时对岩体的完整性造成了一定的影响[1-2]。地下水通过渗流效应改变了岩体的天然结构,从而影响到应力场的重分布,导致隧道围岩产生变形。反过来说,岩体中应力场和位移场也会导致岩体裂隙的改变,进而影响到其渗透性能。这种相互作用反复耦合直到达到某种平衡状态,称之为流-固耦合效应[3-4]。地下水在下渗过程中,易引起隧道施工现场塌方和大变形等事权和病害,对隧道施工和运营造成不利影响,因此,对弱质围岩隧道在地下水渗流效应下的开挖变形分析是亟待解决的问题。目前,对于隧道围岩应力场和渗流场耦合作用下的变形分析较少,开挖过程中的发展历程也很少研究[5-6]

山岭隧道一般采用新奥法施工,主要靠隧道施工监控量测及时掌握围岩变形的情况以判断围岩稳定性[7]。对于高水位软弱围岩隧道,在高地应力、高水压围岩应力场与渗流场耦合作用下,隧道开挖围岩变形值很大且变形速度很快。针对高水压断层破碎带和节理发育密集带的止水注浆及穿越软弱、不良地质段的加固注浆对隧道的施工安全、施工进度及运营后的止排水等都有显著效果[8-9],因此,结合工程实际开展高水位下破碎带围岩开挖变形规律的研究非常有必要。

1 工程概况

广东省揭阳至惠来高速公路小北山一号隧道位于丘陵区。隧道按分离式布设,左线隧道里程ZK14+390-ZK17+390,最大埋深280 m。右线隧道里程K14+380-K17+388,最大埋深270 m。

隧址区基底主要为燕山期花岗岩,局部见辉绿岩岩脉,覆盖层由黏土、全~强风岩组成,基岩由中~微风化岩组成。地下水以大气降水和山谷汇水下渗补给为主,排泄方式则以蒸发和侧向径流排泄为主。隧道在ZK16+450-ZK16+600(K16+400-K16+580)段存在F3区域大断裂,该断层处围岩破碎,裂隙发育,工程地质复杂,属于IV,V级围岩,且其上方约150 m处存在龙潭峰水库,隧道开挖过程中改变了天然地下水的补径排条件,隧道成为新的局部排泄基准,易发生塌方、涌水、水资源流失、生态环境破坏等不良情况。

小北山一号隧道软岩施工现场情况见图1。

1.人民币汇率预期对货物贸易项下跨境资金流出具有显著影响。实证检验结果表明,人民币汇率预期对货物贸易跨境资金流出的影响显著,且这种影响具有一定的滞后性,这种具有滞后性的影响主要表现为人民币汇率刚开始出现贬值预期时,并未对货物贸易项下跨境资金流出产生影响,但一段时间后,市场交易主体意识到人民币汇率贬值将继续加大时,货物贸易项下跨境资金流出开始出现持续减少的趋势,这种趋势随着人民币汇率贬值预期的加深而保持一段较长时间。

  

图1 隧道软岩施工现场

2 高水位下软弱破碎带围岩开挖变形现场监测

2.1 监测项目

根据设计要求,依据小北山隧道工程的实际情况,确定了监测、监控项目的主要范围,并在实际的监测过程中予以了相应的调整和改进,本文只列出其中的必测项目,见表1。

 

表1 施工监测必测项目

  

序号项目名称仪器测点布置1地质及支护观察数码相机、地质罗盘及规尺等工作面2周边位移JTM⁃J7100钢尺收敛计依施工工法不同,每个断面1~2组测点3拱顶下沉徕卡NA2水准仪、钢挂、塔尺与周边位移同一断面;每个断面3个测点4地表沉降徕卡NA2水准仪、徕卡GPM测微器、锢钢尺每断面布设7个测点

2.2 监测方法

以上监测项目中,最主要的是拱顶下沉及水平收敛量测,也是本文分析中需要的监测数据,因此,仅对拱顶下沉及水平收敛监测方法进行介绍。

1) 拱顶下沉量测。拱顶下沉值主要用于确认围岩稳定、预报拱顶崩塌。通过使用水准仪及铟钢尺测量观测点与基准点的相对高差变化量得出拱顶下沉量和下沉速度,拱顶沉降量测与周边位移量测布置在同一断面,测点布置如图2所示。断面布置:V级围岩1个断面/10 m,VI级围岩1个断面/20 m,III级围岩1个面/30 m,II级围岩1个断面/50 m。量测频率如表2所示。

 

表2 现场监测数据采集频率表

  

量测项目量测频率(爆破后24h内进行初次量测)1~15d16d~1月1~3个月3个月以上拱顶下沉1~2次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月周边收敛1~2次/d1次/2d1~2次/周1~3次/月

2) 水平收敛量测。量测获取隧道周边位移量,以此判断隧道结构的稳定性,确定二次衬砌施作的合理时机。用收敛计量测净空收敛位移,2次测量之差即为该周边2点在该时间间隔内收敛值,根据收敛值判定隧道围岩及支护结构的变形情况。特殊地段可采用非接触量测方法协助进行量测,即在隧道周边洞壁粘贴反射膜片,利用全站仪进行周边位移观测。断面布置为V级围岩1个断面/10 m,VI级围岩1个断面/20 m,III级围岩1个断面/30 m,II级围岩1个断面/50 m。根据断面开挖方式,采取相应的测点布置,如图2所示。量测频率如表2所示。

图4所示的监控结果表明:

 
  

图2 水平收敛、拱顶下沉测线布置图

2.3 现场监测数据分析

现场开挖时,断裂破碎带发生在K16+442-K16+457段,开挖进度为2 m/d。为防止围岩发生坍塌,对此段进行注浆加固并加强对此段的施工监控,此段的监控断面的布设距离由10 m减为5 m。断面1~5与现场监测时的断面K16+440,K16+445,K16+450,K16+455,K16+460基本对应,隧道监测断面位置如图3所示。

(1)糖尿病患者进行体育锻炼,应以不感到身体疲劳为宜度,建议患者逐渐增加活动量及活动时间,当血糖>13.3 mmol/L或尿酮体阳性者,不宜做上述活动。

  

图3 监测断面位置图

1) 含破碎带时,各断面在开挖时的拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛值均比完整围岩时大且变形速度更快。

1.对网络课程框架结构进行实用性设计——主要包括知识结构设计和系统功能设计。课程结构设计的重点是对专业知识的学习。由于成人学员存在工学矛盾等客观原因,他们更加重视利用有限的时间,学习实用性较强的专业技能和文化知识,因此,课程框架设计要符合网络课程的开放性、自主性、互动性、共享性等基本特点。

目前我国发展的重要目标之一就是建设节约资源与环境友好型社会。随着城市化的建设进程不断加快,地下水污染、固体废弃物随意丢弃、河流污染等情况日益加重,对人们的日常生活与生态环境产生重要危害。

4.2.1 柴油凝点检测区分性 将安庆0#车柴和齐鲁 -10#车柴按照 3∶1,1∶1,1∶3 的比例调和,每种调和油样进行两次重复性试验,以两次试验的平均值作为该种油样的凝点检测结果,表10为各调和油样凝点的试验结果。

由表1可知,后腿中蛋白质含量较前腿和里脊含量高,但差异不显著(p<0.05);前腿中脂肪含量为2.34%,显著高于里脊和后腿脂肪含量(p<0.05),但是成年牛肉的脂肪含量为12.04%,要显著高于犊牛肉中脂肪含量,主要是因为犊牛生长还未达到体脂贮存的生理年龄就被屠宰,肌间脂肪不可能沉积,与林莉(2009)[7]的描述一致。

1) 破碎带围岩的开挖变形规律(拱顶下沉及水平收敛)与普通等级围岩基本一致,均表现在掌子面附近时变形速度较快,远离掌子面后变形速度越来越小。

  

图4 各断面的监测位移场曲线图

2) 水平收敛测线a比测线b收敛值大。因为测线a在上台阶开挖后布设,测线b在下台阶开挖后布设,在上台阶开挖后,位移已得到一定程度的释放。

1号崩塌体(B1)宽132. m,高85.0 m,厚约1~3 m,坡度30°~85°,局部陡直临空,潜在崩塌方量约2.2×104 m3。2号崩塌体(B2)宽42.0 m,高40.0 m,厚约1~2 m,坡度45°~85°,局部陡直临空,潜在崩塌方量约0.34×104 m3。两处崩塌坡面主要由片岩、片麻岩构成,坡面岩体风化强烈,节理裂隙发育,十分破碎,在坡面分布有大量风化掉落的碎块石,碎块石粒径一般0.05~0.3 m。坡面分布的破碎的崩塌体粒径一般0.3~1.0 m,斜坡坡脚由于修建房屋开挖形成陡直的临空面,斜坡坡面局部分布有人工种植的松树、柏树等。

提取破碎带处不考虑渗流情况、完整围岩150 m水头差、破碎带150 m水头差,以及破碎带注浆后的拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛的计算结果,如图11所示。

3 高水位下软弱破碎带围岩开挖变形模拟分析

3.1 模型建立

运用midas GTS NX软件,采用参数弱化法对小北山一号隧道K16+400-K16+520软弱破碎带段进行数值模拟,破碎带处于V级围岩,岩石破碎带断层宽度约12 m,倾角约为50°,隧道埋深取150 m,每次进尺的长度2 m,模拟开挖30步,模型的计算范围为120 m×120 m×210 m,整个数学模型共划分为97 679个实体单元,4 480 个板单元,17 469个节点。据地质勘探资料确定岩体的物理力学参数,采用等效连续介质模型,D-P弹塑性屈服准则。岩体采用实体单元模拟,支护结构用板单元模拟。初喷在围岩开挖后跟进施作,二衬只在开挖前20 m施作,只作为开挖前支护条件,不随开挖的进行而跟进施作,开挖网格组分布如图5所示。

  

图5 开挖网格组分布图

隧道埋深较大,隧道在垂直方向的初始地应力取岩体的自重,水平方向的初始地应力按侧压力系数λ=1考虑。假定隧道开挖前,围岩处于饱和状态。开挖后,地下水在隧道开挖区域的边界上为自由透水边界,渗流水压力为零。采用超前帷幕全断面注浆加固,注浆加固效果通过提升注浆区围岩的物理力学参数模拟,计算参数见表3。

考虑开挖渗流影响,采用超前帷幕全断面注浆加固,注浆加固范围为5 m,注浆圈渗透系数取2.0×10-5 cm/s,其他参数同表3。

 

表3 计算参数表

  

材料类型弹性模量E/GPa泊松比μ容重γ/(kN·m-3)孔隙率n渗透系数K/(cm·s-1)黏聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)厚度t/cm围岩 1.50.40190.223.5×10-50.1524初支 29.00.16240.05∞25二衬 30.00.16240.05∞50破碎带0.30.45150.502.5×10-50.0318注浆区3.00.35220.202.0×10-50.3030500

在隧道施工中,二衬的施作发生在围岩初支作用下变形稳定后,另外,初喷混凝土往往伴随着围岩的变形开裂,其实际堵水作用十分有限,因此,在讨论注浆加固对围岩开挖变形的影响时,往往不考虑二衬及初支的堵水作用,表中设初支及二衬的渗透系数为无穷大。

3.2 破碎带对围岩开挖变形影响分析

不考虑开挖渗流影响,单独讨论破碎带对围岩开挖变形的影响。由于隧道与破碎带斜交,隧道研究断面位置如图6所示,因此,可分5种不同的情况分析隧道开挖破碎带对围岩变形的影响:

①隧道断面拱底存在岩石破碎带(断面1)②隧道断面下台阶为岩石破碎带(断面2);③整个隧道断面都在岩石破碎带内(断面3)④隧道断面上台阶为岩石破碎带(断面4);⑤隧道断面拱顶存在岩石破碎带(断面5)。

感知价值是指消费者在使用无现金支付时,权衡感知收益和感知风险后做出的整体评价。站在经济学角度,消费者是理性经济人,在有限资源下往往追求利益最大化,通过权衡感知收益和感知风险,用整体的感知价值来决定是否使用无现金支付是合理的。如果消费者对无现金支付的整体评价较高,其选择使用无现金支付的意愿就越大,如果消费者整体评价不高,其使用意愿就不高。

运用有限元模拟后,得到在不考虑渗流情况下,含破碎带围岩开挖后的总位移、竖向位移,如图6、图7所示。

  

图6 破碎带开挖后总位移云图

  

图7 破碎带开挖后竖向位移云图

①对拱顶位移的影响:各断面拱顶下沉值从小到大依次为1,2,3,5,4,破碎带对围岩拱顶位移的影响在断面2开始逐渐显现,在断面4达到最大下沉值,且断面5的拱顶下沉值也较大,可见破碎带对围岩拱顶位移的影响在断面5后仍会延续一段距离。

提取含破碎带围岩断面1~5并对比完整V级围岩的下拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛的计算结果并对比完整V级围岩计算结果,如图8所示。

由图8可见:

K16+440,K16+445,K16+450,K16+455,K16+460断面的拱顶下沉和水平收敛监测结果如图4所示。

  

图8 断面1~5位移场曲线对比图

2) 斜向破碎带对围岩拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛变形影响不同。

我到世纪大厦时,楼下已围了不少看热闹的人。我往楼顶看,看不清那人的面孔,但身形确实有点像亚山,我心慌脚乱地奔到楼顶,亚山很从容地站在楼的边沿,他脸上的广告虽然洗得淡了些,但还留有痕迹。楼高风大,把他的衣服吹得鼓了起来,他似乎站得不太稳。看到我,他脸上现出惊愕的表情“:你怎么来了?”

图6、图7所示计算结果表明,断层破碎带处围岩产生的位移量明显大于两侧围岩,这是因为断层破碎带处围岩与两侧岩体在物理力学特性上差异显著,所以,应特别关注此段的施工过程,适当提高支护参数。

②对拱底位移的影响:各断面拱底隆起值由小到大依次为5,4,3,2,1,围岩拱底位移在断面1处就达到最大隆起值,破碎带对围岩拱底位移的影响在断面1前已有较大一段距离;在断面4,5的拱底隆起值已基本接近完整围岩,可见破碎带在此处对围岩拱顶位移的影响已基本结束。

陈山利率二人避开日本人的目光,踏着齐腰深的草丛,抢到日军前面,凭借三棵大树掩护,发现是一股逃兵。待敌人走近,陈山利突然现身,将冲锋枪对准日兵,大喊着:“缴枪不杀!”

③对水平收敛的影响:各断面水平收敛值小到大依次是5,1,4,2,3,围岩水平收敛在断面3处达到最大下沉值,沿着左、右量测逐渐减小,断面5处水平收敛值已基本接近完整围岩,断面1处水平收敛值较完整围岩大,说明破碎带对断面1前围岩水平收敛仍有一段影响距离,对断面5以后基本无影响。

由此看来,拱顶下沉、拱底隆起和水平收敛值并不是所有隧道断面都在破碎带时达到最大值。拱顶下沉最大值发生在断面4,5主要是由于此处开挖部分为V级围岩,而隧道拱顶为破碎围岩,由于V级围岩重度、弹性模量等均比破碎带大,因此开挖回弹量比全破碎带大,拱顶下沉值更大。同理,拱底最大值发生在断面1主要是由于此处开挖部分为V级围岩,而此处隧道底部为破碎围岩,因此开挖回弹量比全破碎带更大,拱底隆起更大。水平收敛值在断面3处最大,此处整个隧道处在破碎带中,是由于此处开挖后隧道周围均为破碎软岩,对于水平收敛的限制大大减小,因此,此处水平收敛值最大。

综上所述,当围岩中存在破碎带,尤其是斜向破碎带时,隧道开挖时不仅要注意破碎带区的围岩变形,也要注意破碎带前后一定范围内的围岩变形,在采取注浆加固时应适当扩大注浆范围。

3.3 开挖渗流及注浆加固对围岩开挖变形影响

整体上看,东盟国家对人民币的接受度越来越高,人民币结算逐渐成为双方贸易结算的主流,人民币结算对双边贸易的影响日益凸显。

3.3.1 渗流场分析

对破碎带围岩注浆前后分别进行渗流分析,得到注浆加固前、后围岩孔隙水压力分布图,如图9所示。

  

图9 注浆前后破碎带围岩孔隙水压力云图

由图9可见:

1) 注浆加固前,由于破碎软岩渗透系数大于其两侧围岩渗透系数,破碎软岩处水压力小于两侧围岩,因此破碎带处孔隙水压力比两侧围岩孔隙水压力小。

2) 注浆加固后,整个隧道周边围岩渗透系数减小,注浆圈承担了一部分水压力,使得整个隧道周边孔隙水压力增大,减小开挖渗流的影响,同时整个隧道周边孔隙水压力分布更加均匀,几乎可以忽略破碎带的影响。

3.3.2 位移场分析

进行应力-渗流耦合分析,得到破碎带围岩在渗流作用下注浆加固前后位移云图,如图10所示。

  

图10 加固前后破碎带围岩开挖总位移云图

3) 拱顶下沉及水平收敛位移最大值均发生在K16+450处,且沿其两侧方向断面的位移值逐渐减小。

由图11可见:

1) 相较于不考虑渗流情况,在考虑渗流时,高水位下破碎带与其两侧围岩变形差异更大,尤其是破碎带拱底隆起值高达300 mm,此时,拱底基本已产生隆起破坏,这也是加固前含破碎带围岩开挖总位移、竖向位移云图色彩范围聚集在破碎带拱底处的原因,如图11a)所示,因此必须对围岩进行注浆加固处理。

  

图11 不同情况位移场曲线对比图

2) 破碎带在注浆加固后其拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛值均大幅减小,且最终变形值均比完整围岩还小,变形过程较完整围岩更加平缓。这主要是由于注浆加固后,隧道周边围岩渗透系数减小,整个隧道周边孔隙水压力分布更加均匀。另外,注浆圈承担了一部分水压力,减小开挖渗流的影响,加上注浆圈材料参数的提高,几乎可以忽略破碎带的影响,使得围岩变形值大幅减小。

4 现场监测与模拟结果对比分析

提取注浆加固后的断面1~5开挖后的围岩变形数值模拟结果,并对比K16+440,K16+445,K16+450,K16+0455,K16+460的拱顶下沉和水平收敛的监测结果,如图12所示。

 
  

图12 实测结果与模拟结果对比图

由图12可见:

1) 各断面开挖后的实测变形与数值模拟变形规律基本一致,但拱顶下沉、水平收敛实测结果均比数值模拟结果偏大,且不同位置偏大程度不同。

经分析认为,由于数值模拟中围岩物理力学参数取值的误差,加上现场施工中,支护施作的实际效果不可能达到理想设计效果,破碎带区的注浆加固后的围岩参数应小于其两侧围岩参数,而不是数值模拟中取用的相同值,这是造成实测结果偏大的原因,因此实测拱顶下沉及水平收敛最大值均发生在K16+450处。不同位置偏大程度不同是由于斜向破碎带在不同断面破碎围岩分布不同,例如,K16+450断面实测拱顶下沉值约为模拟值的1.8倍,而K16+460断面实测拱顶下沉值仅为模拟值的1.2倍,这是由于K16+450断面完全处在破碎带内,K16+460断面只有一小部分处在破碎带内。

债券市场的发展使得各个国家都开始正视营销业务开展的问题,中国债券市场发展热点问题这一新兴的金融活动营运而生,并且迅速在我国中国债券市场落地生根。然而由于债券市场的发展时间较短,我国资本市场对于中国债券市场的认识有限,对于其广阔债券市场的发展前景也未能进行有效的调研。因此,在目前我国的中国债券市场业务中,涉及到中国债券市场发展热点问题这一板块的业务还非常少,债券市场的发展经验和长期债券市场的发展计划限制了中国债券市场营销在中国中国债券市场的普及。导致现有的中国债券市场营销业务拓展不足,业务拓展模式单一。

2) 水平收敛测线a比测线b收敛值大,模拟值约介于两者之间。

我对中医药的尊重,其实包含了对温柔事物的渴望与认同。对西医和现代医药也是如此。无论是草本植物、动物某些器官甚至活体,还是各种生物制剂,其本质,都是来自于自然物,其目的,都是为了制服人体内的某些偏差与溃疡,进而恢复元初或者达到一种修复的效能。

这是因为测线a在上台阶开挖后布设,测线b经下台阶开挖后布设,测线b经上台阶开挖,位移已得到一定程度的释放,在数值模拟中,水平测线取的是上下台阶交界线,因此收敛值介于测线ab之间。

3) 实测围岩变形收敛距离大于数值模拟变形收敛距离,且此后变形速度维持在一定水平,表现出围岩流变效应。

以K16+445断面为例,数值模拟拱顶下沉变形基本收敛(变形速度≤0.1 mm/d)时,断面距掌子面2.0 R,且此后变形速度越来越小趋近于零,但是实测拱顶下沉变形基本收敛时,断面距掌子面约为2.8 R,且此后的3.2 R范围内监测变形速度一直维持在0.05~0.08 mm/d之间。

隧道开挖过程中,洞身应力得到释放,围岩应力产生重分布。理论上,如果在这种重分布完成后其围岩应力不超过围岩的支护条件和强度,则隧洞的开挖将会保持稳定和安全,但实际情况并非如此。在实际的开挖过程中,不论掌子面的开挖距离如何,甚至掌子面的空间效应作用较大时,随着时间的推移,洞室仍有失稳甚至坍塌的可能出现。这表明,隧道围岩的变形,是随着时间的变形而不断继续演变和发展的,而更多的工程实际表明,流变是普遍且长期存在的。

5 结论

1) 当围岩中存在破碎带,尤其是斜向破碎带时,隧道开挖不仅影响破碎带区的围岩变形,对破碎带前后的围岩变形也有较大影响,在采取注浆加固时应适当扩大注浆范围。在渗流影响下,高水位下破碎带处围岩开挖变形急剧增大,对比注浆前,破碎带注浆后围岩变形得到明显改善。

2) 破碎带注浆加固后,实际监测变形值比数值模拟变形值大很多,要区分破碎带与其两侧围岩的加固效果,在数值模拟时要弱化破碎带加固后的围岩参数;同时要注重围岩的流变效应,不能忽视距掌子面较远断面的监控工作,要密切关注围岩的动态变形,充分发挥施工监控的作用。

参考文献

[1] 张有天.岩体水力学与工程[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2] 仵彦卿,张倬元.岩体水力学导论[M].成都:西南交通大学出版,1995.

[3] 杨天鸿,李连崇,唐春安.岩石破坏过程中渗流-损伤关系的认识:兼对唐红侠博士提问的答复[J].岩石力学与工程学报,2004,(24):4254-4257.

[4] 朱珍德,郭海庆.裂隙岩体水力学基础[M].北京:科学出版社,2007.

[5] 纪佑军,刘建军,程林松.考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟[J].岩土力学,2011,32(4):1229-1233.

[6] 吉小明,王宇会,阳志元.隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟[J].岩土力学,2007,28(增刊1):379-384.

[7] 李小青.隧道施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[8] 刘英棨,张谢东,李佳莉,等.基于反分析法的浅埋隧道围岩应力释放率研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2015,39(6):1259-1262,1268.

[9] 任文峰.高水压隧道应力场-位移场-渗流场耦合理论及注浆防水研究[D].长沙:中南大学,2013.

 
宋振余,毛安琪,易山山
《交通科技》 2018年第02期
《交通科技》2018年第02期文献

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