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基于流固耦合的隧道断层破碎带注浆加固圈厚度分析

2024-02-21 来源:小奈知识网
工程技术 SClENCE&TECHNOLOGY . 墨圆 基于流固耦合的隧道断层破碎带注浆加固圈厚度分析① 张兴 (山东成武县公路管理局 山东菏泽 274200) 摘要:隧道穿越富水断层破碎带常发生突涌水及围岩变形失稳等地质灾害,帷幕注浆是治理隧道断层破碎带的有效方法,通过帷摹 注浆在隧道周边形成注浆加固田,降低固岩渗透能力,提高隧道周边围岩强度。为确定合理的注浆加固田参数,提高注浆加固效果, 一鲞于流固辆合理论对隧道周边渗流场,应力场和位移场进行了数值模拟,分析了不同加固圈参数对隧道涌水及变形规律的影响。研究 结果表明:随着注浆加固啊厚度的增加,隧道涌水量和变形量均减少,但当加固朋厚度大于一定值时,涌水量及变形量变化均趋于平 缓。根据数值模拟结果得出最合理的注浆加固参数并指导工程设计,研究结果对于完善帷幕注浆理论和指导类似工程注浆设计具有一 定的借鉴意义。 关键词:注浆.流固耦合 数值模拟 中图分类号tTU454 文献标识码:A 文章编号:167 2—379t(zo13)06(a)一0041—04 ・ 随着我国隧道建设规模不断扩大,隧 突涌水及围岩变形失稳等地质灾害。受断 点【】 】。断层破碎带如得不到有效的处治, 道建设过程中遇到的地质问题不断增多, 裂构造及断层充填介质的影响,断层破碎 将严重影响隧道的正常施工安全和和运 尤其隧道穿越富水断层破碎带时常发生 带具有围岩破碎、导水路径复杂多变等特 营的长久稳定性。 表1 围岩及衬砌材料参数 为保证隧道穿越断层破碎带时的安全 对应材料 杨氏模量E(MPa) 泊松比 密度p(kg/m。) 孔隙率n 渗透率k(m ) 稳定,避免大变形及突涌水灾害,采用全断 围岩 200 O.268 1550 0.3 1×10 面帷幕注浆的方式对断层破碎带进行加 衬砌 5 Xl0 0.17 l850 固,降低围岩渗透能力并提高隧道周边围 表2 加固圈渗透率变化条件下的计算工况 岩强度。注浆加固圈厚度作为帷幕注浆的 关键影响因素成为断层破碎带注浆加固治 加固圈厚度(m) 工况 n=k /k 加固圈渗透率k(m ) 理的首要研究问题。在隧道断层破碎带注 l l 1×lff 2 2 5 X10一 浆治理过程中,围岩的应力场与渗流场是 3 4 2.5 X 10一 相互作用的,注浆改变了围岩力学参数,使 1~20 m 4 l0 I X10一 隧道围岩应力发生重分布,同时影响围岩 5 20 5X10一 渗透率、孔隙率等参数发生变化,导致渗流 6 40 2.5 X 10一 场的改变;渗流场中孔隙水压力等参数的 7 l00 1×10一 变化又导致岩体有效应力的改变,最终围 表3 加固圈弹性模量变化条件下的计算工况 岩应力场、位移场也随之改变。因此,在研 加固圈厚度(m) 工况 k=E /E。 加固圈弹性模量E (MPa) 究注浆加固圈的合理参数时,应该考虑围 l 1 200 岩应力场和渗流场的耦合作用。 2 5 1×103 本文通过有限元计算软件对注浆加固 l~20 m 3 10 2 X 10 引起的渗流场、应力场及位移场变化特征 4 20 4×10 5 50 1 X 1 o4 进行了系统分析,讨论加固圈不同参数(厚 度、渗透率及弹性模量)对围岩稳定性及堵 水头 水能力的影响【4],优化注浆加固圈参数,有 效指导注浆现场工程实践。 1工程背景 : 某隧道为单恫双线轻轨专用隧道,地 面高程482~543 m左右,地势西高东低,高 差6O余米,坡角7。~10。。隧址区背斜是线 路穿越的主要构造,形成主要的富水区域。 隧道K26+770~K26+830段为断层破 碎带,地层岩性为灰色,黄灰色厚层块状白 云岩、白云质灰岩、岩溶角砾岩,属雷13:坡 组与嘉陵江组结合部,为岩溶水富水层。围 岩裂隙发育强烈,岩体破碎,强度较低,围 岩稳定性极差,设计为V级支护段。该段涌 图1 隧道注浆加固圈计算模型 水类型为隧道拱顶股状涌水、散淋水,隧道 ①作者简介:张兴(1969一),男,山东菏泽人,1999年毕业于山东工业大学交通土建工程专业,现为工程师,主要从事公路隧道运营安全 方面的研究。 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 4  ●1 1 ∞ E r捌*羽 1 0 O O 嘿ErO  4 2 0 8 6 4 2 —_.-—一n=1 n=2 n=4 n=l0 n=20 n=40 n=lO0 0.0 0 0.25 0 2O E 遨 0.15 l至5 j霉『 0.10 O.05 0 2 4 b 8 10 12 14 16 18 20 加固圈厚度,m 图3 隧道拱顶沉降随加固圈厚度变化 底板的区域涌水,断层破碎带全段涌水量 渗流连续性方程为: >2000 II1 /d。隧道涌水段拟采用帷幕注浆 ( ): (1) 道周边形成隔水承压帷幕圈对 层 ! 至 确保隧道后 曼,: 达西定 运动方程为:,。, 。。 。。  期开挖的安全稳定。 (2) 考虑水的压缩性,流体状态方程为: 2流固耦合模型 p: pnP一印 (3) 2・T流固耦合理论 其中,P为水的密度(kg/m 3); 为渗流 为简化分析,将围岩视为均质、各向同 速度(m/s); 为介质孔隙率; 为流体压力 性的弹性多孔介质 。地下水在隧道围岩 (Pa); 为水的动力粘度, :0.001 Pa.s; 中的渗流运动通过达西定律描述;岩土体Po为水的标准密度,Po:1000 kg/m,; 为 的应力与变形通过经典弹性力学理论描 水的压缩率,卢:4×i0 /Pa。 述;根据有效应力原理,水压力与岩土体骨 根据经典弹性力学理论,岩土体主要 架有效应力之和为岩土体总应力。 服从平衡方程、几何协调方程及本构方程。 42 科技资讯SCIENCE&TEcHNOL0GY INFORMATION 工程技术 圈岩介质平衡方程为: 13" f,l,+ =0 (4) 几何协调方程为: = ( ) 本构方程为: s U 6日一 。考 ,k i i 1—2v s斛 —— 一仃船 (7) 其中,()’为岩土体应力(Pa);F为岩土 体附加应力(Pa);S为岩土体变形;E为弹 性模量(Pa);v为泊松比。 注浆加固圈及围岩渗流场和应力场的 耦合作用遵循有效应力原理: 总= +p (8) 其中,()I为岩土体有效应力(Pa);P为 水压力(Pa);()I 为总应力(Pa)。 2.2数值计算模型 计算模型由衬砌结构、注浆加固圈、周 边围岩组成,岩土体为饱水状态。模型上边 界为自由水面,模型设定为稳态模型,不考 虑时间因素的影响(图1)。 断层破碎带围岩破碎、围岩弹性模量 低、孔隙率高 …、渗透性强。在确定断层 破碎带物理力学参数时,对典型岩层取 样进行力学性能实验,并与相似工程类 比,确定围岩及衬砌的物理力学参数如 表I。 依据实际工程状况,计算模型设计尺 寸为200 in x 1.80 m的长方形,隧道断面为实 际尺寸,隧道衬砌厚度80 cm,加固圈厚度 从0~20 m变化。模型左右边界为辊支撑边 界,只能发生上下方向的位移,llllu=O;下边 界为固定约束,即U,v=O;上边界为自由边 界,发生自由变形。 衬砌排水性很强,经加固圈渗流到衬 砌的水随即通过衬砌排水系统排出,因此 衬砌承受水压为零,设定衬砌外边缘为自 由出水边界,即p=O;设定模型上边界为自 由水面;模型左右边界和下边界均设定为 不透水边界,即 =0。水的渗流运动完全 由水的自身重力引起。 3数值模拟结果分析 在注浆过程中,采用不同的注浆材料、 注浆工艺等因素会导致加固圈弹性模量、 渗透率等物理力学参数变化…】。在数值模 拟过程中,通过控制注浆加固圈厚度、渗透 率、弹性模量的变化,得出不同加固圈渗透 率、不同弹性模量条件下隧道拱顶沉降、隧 道水平收敛、l m涌水段出水量随加固圈厚 度的变化曲线。 工程技术 m mⅢ m SOI∞, ENOE&TECHNoLOGY∞ h ∞. ∞加 }  .. , 0 隧道变形量明显减小。 0.25 4注浆加固圈参数选择 0.20 由数值模拟结果可知,随着注浆加固圈 乓0.15 厚度的增加,隧道变形量及涌水量都显著减 逝 小,当厚度增加到一定值时,厚度增加对涌 曼o 10 水量及隧道变形的影响会降低。在该隧道工 程中,当加固圈厚度大于5 m时,隧道变形及 O 05 涌水量变化均趋干平缓。 从工程经济性方面考虑,随着注浆加 0 O0 固圈厚度的增加,工程造价不断提高,而且 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 加固圈厚度越大,单位厚度加固圈的成本 加同圈厚度/m 不断提高。综合考虑理论可行性与经济适 用性,该隧道断层破碎带注浆加固圈厚度 图4 隧道拱顶沉降随加固圈厚度变化 取5 m最为合理。 Darcyvelgctty(m/s ‘ 以注浆加固圈厚度优选分析结果为指 ▲1 9651 l0 10 6 导,在该隧道断层破碎带治理中,设计注浆 一 加固圈厚度为5 m,为控制浆液扩散半径, 提高注浆加固圈强度,选用水泥一水玻璃双 液浆,配合双液注浆工艺施作注浆加固圈。 现场取样测得注浆加固圈内浆一岩加固体 的渗透率为i.02 X 10 m ,弹性模量为 6 GPa。图7~8为该条件下的数值模拟结 果。 由图5~6可知,在整个渗流场中,渗流 速度最快的区域分布在隧道开挖断面附 近,表明隧道开挖断面附近水头梯度大;隧 道衬砌变形主要集中在隧道拱顶和拱底位 置。 在数值模拟过程中,将渗流速度对隧道 断面周长积分得隧道14 m涌水段的涌水量 2 O一4 0 6 0 O0 1; 5.90 m /h;在隧道拱顶及两帮位置设置变 形l监测探针,得隧道拱顶沉降为30.3 mm, 图5 注浆加固圈及围岩渗流速度大小分布 隧道变形量及涌水量均能满足工程要求。 图7为现场实测的隧道拱顶沉降曲线, 3.1不同加固圈渗透率条件下。隧道衬砌变 降低,隧道涌水量明显减小;当渗透率减小 隧道拱顶沉降累计变形量收敛于25 mm,同 形量和涌水量随加固圈厚度变化情况 到一定程度时,涌水量变化趋于平缓。加固 时实测隧道治理段涌水量5.6 m /h。数值 加固圈厚度从l~20 m设定20个参数值; 圈渗透率对隧道变形量有一定的影响,随着 模拟结果与实际情况基本符合,验证了模 ks为围岩渗透率,k :l×l0一 m ,k为注浆 加固圈渗透率的降低,隧道变形量减少。 型的可靠性。 加固圈渗透率,取n=k /k. ,n取7种不同数值 3.2不同加固圈弹性模量条件下。隧道衬砌 (如表2)。 变形量随加固图厚度的变化情况 5结论 数俺模拟结果如图2~3。 加固圈厚度从l~20 m设定20个参数 采用有限元分析软什对隧道周边渗流 【{{以f:数值模拟结 知,若没 . 值;Es为同 弹性摸 E =200 MPa, , 为 场及 力场进行r数f“模拟,分析r往浆 浆加 吲,隧道l m涌水段…水 为1.38× 浆加 圈弹性模最,取k=Ell/E ,k取5种小㈨ 加㈣圈 参数埘隧道变形肢涌水 的影 l0 In /s,隧道拱肌 降为206 mm,隧道水 教俩(如 3)。 响。进 甜…以I 沦。 ’r收敛山l 22 mIl1,仃 『I lfl 奠个隐 。 教 帧拟 如 4。 (1)随衍} 浆 I1…j糊J‘ 度f 土{’)J1l,隧逋 (1)?j- lI III1 I抬I渗透;牛|条¨。I ,l{i{f …以 数f f}l}f』结 “J‘ 。 f}fj水}走雨I变形{ 均lJJ】:l 减少,』J『l… Jt J蔓 行}i 浆 l1…I卷I}‘ j霆f内±骨期l,l 逍 1水 币Il (1)rf /f iljJ11㈤ ‘ : L {簸什I ,随 人} ・定 l1.『,隧道 水 肢变形}l{=变化 变形}I;=均I}J】:I 减少,fIl 1 JJ I】㈨ J‘ 眨人J 竹 浆』Jll 度的增JJ ll,隧逆变形}}}fJiJ 均趋j。卜绥。综合考虑 沦r,f行悱干¨经济 5 mII,},隧道涌水 肢变形皎变化均尥J ! 减少,1【l’Jj加吲 度人J 5 IT]时,隧道 适j¨・ ,选择合理的“ 浆肌 圈厚度。 缓。 变形量变化均趋于 缓。 (2)在实际工程中,隧道渗流场和应力 (2)注浆加固圈渗透率对隧道渗水量 (2)注浆加固圈弹性模量对隧道变形有 场发生相互耦合作用。注浆加固圈渗透率 有明显的影响,随着注浆加固圈渗透率的 明显的影响,随着加固圈弹性模量的增加, 不仅影响隧道涌水量,也对隧道变形有影 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 00Y INF0RMAT10N 工程技术 ter-bearing fault of the Kiaochow Bay subsea tunnel[J].Journal of Shandong ●▲4 3gs1 x10‘‘ 力 ∞ O 7● University(Engineering Science),20l1, 41(1):1叭~1O4.(in Chinese). 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