高水位下軟弱破碎帶圍巖開挖變形分析*

宋振余 毛安琪 易山山

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325； 2.中國建筑科學研究院 北京 100013； 3.華中科技大學土木工程與力學學院 武漢 430074)

弱質巖體在大自然的作用下發育著大量的裂隙、孔隙和節理面，由于這些裂隙的存在，為地下水活動提供了相應的空間，同時對巖體的完整性造成了一定的影響[1-2]。地下水通過滲流效應改變了巖體的天然結構，從而影響到應力場的重分布，導致隧道圍巖產生變形。反過來說，巖體中應力場和位移場也會導致巖體裂隙的改變，進而影響到其滲透性能。這種相互作用反復耦合直到達到某種平衡狀態，稱之為流-固耦合效應[3-4]。地下水在下滲過程中，易引起隧道施工現場塌方和大變形等事權和病害，對隧道施工和運營造成不利影響，因此，對弱質圍巖隧道在地下水滲流效應下的開挖變形分析是亟待解決的問題。目前，對于隧道圍巖應力場和滲流場耦合作用下的變形分析較少，開挖過程中的發展歷程也很少研究[5-6]。

山嶺隧道一般采用新奧法施工，主要靠隧道施工監控量測及時掌握圍巖變形的情況以判斷圍巖穩定性[7]。對于高水位軟弱圍巖隧道，在高地應力、高水壓圍巖應力場與滲流場耦合作用下，隧道開挖圍巖變形值很大且變形速度很快。針對高水壓斷層破碎帶和節理發育密集帶的止水注漿及穿越軟弱、不良地質段的加固注漿對隧道的施工安全、施工進度及運營后的止排水等都有顯著效果[8-9]，因此，結合工程實際開展高水位下破碎帶圍巖開挖變形規律的研究非常有必要。

1 工程概況

廣東省揭陽至惠來高速公路小北山一號隧道位于丘陵區。隧道按分離式布設，左線隧道里程ZK14+390-ZK17+390，最大埋深280 m。右線隧道里程K14+380-K17+388，最大埋深270 m。

隧址區基底主要為燕山期花崗巖，局部見輝綠巖巖脈，覆蓋層由黏土、全～強風巖組成，基巖由中～微風化巖組成。地下水以大氣降水和山谷匯水下滲補給為主，排泄方式則以蒸發和側向徑流排泄為主。隧道在ZK16+450-ZK16+600(K16+400-K16+580)段存在F3區域大斷裂，該斷層處圍巖破碎，裂隙發育，工程地質復雜，屬于IV，V級圍巖，且其上方約150 m處存在龍潭峰水庫，隧道開挖過程中改變了天然地下水的補徑排條件，隧道成為新的局部排泄基準，易發生塌方、涌水、水資源流失、生態環境破壞等不良情況。

小北山一號隧道軟巖施工現場情況見圖1。

圖1 隧道軟巖施工現場

2 高水位下軟弱破碎帶圍巖開挖變形現場監測

2.1 監測項目

根據設計要求，依據小北山隧道工程的實際情況，確定了監測、監控項目的主要范圍，并在實際的監測過程中予以了相應的調整和改進，本文只列出其中的必測項目，見表1。

表1 施工監測必測項目

2.2 監測方法

以上監測項目中，最主要的是拱頂下沉及水平收斂量測，也是本文分析中需要的監測數據，因此，僅對拱頂下沉及水平收斂監測方法進行介紹。

1) 拱頂下沉量測。拱頂下沉值主要用于確認圍巖穩定、預報拱頂崩塌。通過使用水準儀及銦鋼尺測量觀測點與基準點的相對高差變化量得出拱頂下沉量和下沉速度，拱頂沉降量測與周邊位移量測布置在同一斷面，測點布置如圖2所示。斷面布置：V級圍巖1個斷面/10 m，VI級圍巖1個斷面/20 m，III級圍巖1個面/30 m，II級圍巖1個斷面/50 m。量測頻率如表2所示。

表2 現場監測數據采集頻率表

2) 水平收斂量測。量測獲取隧道周邊位移量，以此判斷隧道結構的穩定性，確定二次襯砌施作的合理時機。用收斂計量測凈空收斂位移，2次測量之差即為該周邊2點在該時間間隔內收斂值，根據收斂值判定隧道圍巖及支護結構的變形情況。特殊地段可采用非接觸量測方法協助進行量測，即在隧道周邊洞壁粘貼反射膜片，利用全站儀進行周邊位移觀測。斷面布置為V級圍巖1個斷面/10 m，VI級圍巖1個斷面/20 m，III級圍巖1個斷面/30 m，II級圍巖1個斷面/50 m。根據斷面開挖方式，采取相應的測點布置，如圖2所示。量測頻率如表2所示。

圖2 水平收斂、拱頂下沉測線布置圖

2.3 現場監測數據分析

現場開挖時，斷裂破碎帶發生在K16+442-K16+457段，開挖進度為2 m/d。為防止圍巖發生坍塌，對此段進行注漿加固并加強對此段的施工監控，此段的監控斷面的布設距離由10 m減為5 m。斷面1～5與現場監測時的斷面K16+440，K16+445，K16+450，K16+455，K16+460基本對應，隧道監測斷面位置如圖3所示。

圖3 監測斷面位置圖

K16+440，K16+445，K16+450，K16+455，K16+460斷面的拱頂下沉和水平收斂監測結果如圖4所示。

圖4所示的監控結果表明：

1) 破碎帶圍巖的開挖變形規律(拱頂下沉及水平收斂)與普通等級圍巖基本一致，均表現在掌子面附近時變形速度較快，遠離掌子面后變形速度越來越小。

圖4 各斷面的監測位移場曲線圖

2) 水平收斂測線a比測線b收斂值大。因為測線a在上臺階開挖后布設，測線b在下臺階開挖后布設，在上臺階開挖后，位移已得到一定程度的釋放。

3) 拱頂下沉及水平收斂位移最大值均發生在K16+450處，且沿其兩側方向斷面的位移值逐漸減小。

3 高水位下軟弱破碎帶圍巖開挖變形模擬分析

3.1 模型建立

運用midas GTS NX軟件，采用參數弱化法對小北山一號隧道K16+400-K16+520軟弱破碎帶段進行數值模擬，破碎帶處于V級圍巖，巖石破碎帶斷層寬度約12 m，傾角約為50°，隧道埋深取150 m，每次進尺的長度2 m，模擬開挖30步，模型的計算范圍為120 m×120 m×210 m，整個數學模型共劃分為97 679個實體單元，4 480 個板單元，17 469個節點。據地質勘探資料確定巖體的物理力學參數，采用等效連續介質模型，D-P彈塑性屈服準則。巖體采用實體單元模擬，支護結構用板單元模擬。初噴在圍巖開挖后跟進施作，二襯只在開挖前20 m施作，只作為開挖前支護條件，不隨開挖的進行而跟進施作，開挖網格組分布如圖5所示。

圖5 開挖網格組分布圖

隧道埋深較大，隧道在垂直方向的初始地應力取巖體的自重，水平方向的初始地應力按側壓力系數λ=1考慮。假定隧道開挖前，圍巖處于飽和狀態。開挖后，地下水在隧道開挖區域的邊界上為自由透水邊界，滲流水壓力為零。采用超前帷幕全斷面注漿加固，注漿加固效果通過提升注漿區圍巖的物理力學參數模擬，計算參數見表3。

表3 計算參數表

在隧道施工中，二襯的施作發生在圍巖初支作用下變形穩定后，另外，初噴混凝土往往伴隨著圍巖的變形開裂，其實際堵水作用十分有限，因此，在討論注漿加固對圍巖開挖變形的影響時，往往不考慮二襯及初支的堵水作用，表中設初支及二襯的滲透系數為無窮大。

3.2 破碎帶對圍巖開挖變形影響分析

不考慮開挖滲流影響，單獨討論破碎帶對圍巖開挖變形的影響。由于隧道與破碎帶斜交，隧道研究斷面位置如圖6所示，因此，可分5種不同的情況分析隧道開挖破碎帶對圍巖變形的影響：

①隧道斷面拱底存在巖石破碎帶(斷面1)②隧道斷面下臺階為巖石破碎帶(斷面2)；③整個隧道斷面都在巖石破碎帶內(斷面3)④隧道斷面上臺階為巖石破碎帶(斷面4)；⑤隧道斷面拱頂存在巖石破碎帶(斷面5)。

運用有限元模擬后，得到在不考慮滲流情況下，含破碎帶圍巖開挖后的總位移、豎向位移，如圖6、圖7所示。

圖6 破碎帶開挖后總位移云圖

圖7 破碎帶開挖后豎向位移云圖

圖6、圖7所示計算結果表明，斷層破碎帶處圍巖產生的位移量明顯大于兩側圍巖，這是因為斷層破碎帶處圍巖與兩側巖體在物理力學特性上差異顯著，所以，應特別關注此段的施工過程，適當提高支護參數。

提取含破碎帶圍巖斷面1～5并對比完整V級圍巖的下拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂的計算結果并對比完整V級圍巖計算結果，如圖8所示。

由圖8可見：

1) 含破碎帶時，各斷面在開挖時的拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂值均比完整圍巖時大且變形速度更快。

圖8 斷面1～5位移場曲線對比圖

2) 斜向破碎帶對圍巖拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂變形影響不同。

①對拱頂位移的影響：各斷面拱頂下沉值從小到大依次為1，2，3，5，4，破碎帶對圍巖拱頂位移的影響在斷面2開始逐漸顯現，在斷面4達到最大下沉值，且斷面5的拱頂下沉值也較大，可見破碎帶對圍巖拱頂位移的影響在斷面5后仍會延續一段距離。

②對拱底位移的影響：各斷面拱底隆起值由小到大依次為5，4，3，2，1，圍巖拱底位移在斷面1處就達到最大隆起值，破碎帶對圍巖拱底位移的影響在斷面1前已有較大一段距離；在斷面4，5的拱底隆起值已基本接近完整圍巖，可見破碎帶在此處對圍巖拱頂位移的影響已基本結束。

③對水平收斂的影響：各斷面水平收斂值小到大依次是5，1，4，2，3，圍巖水平收斂在斷面3處達到最大下沉值，沿著左、右量測逐漸減小，斷面5處水平收斂值已基本接近完整圍巖，斷面1處水平收斂值較完整圍巖大，說明破碎帶對斷面1前圍巖水平收斂仍有一段影響距離，對斷面5以后基本無影響。

由此看來，拱頂下沉、拱底隆起和水平收斂值并不是所有隧道斷面都在破碎帶時達到最大值。拱頂下沉最大值發生在斷面4，5主要是由于此處開挖部分為V級圍巖，而隧道拱頂為破碎圍巖，由于V級圍巖重度、彈性模量等均比破碎帶大，因此開挖回彈量比全破碎帶大，拱頂下沉值更大。同理，拱底最大值發生在斷面1主要是由于此處開挖部分為V級圍巖，而此處隧道底部為破碎圍巖，因此開挖回彈量比全破碎帶更大，拱底隆起更大。水平收斂值在斷面3處最大，此處整個隧道處在破碎帶中，是由于此處開挖后隧道周圍均為破碎軟巖，對于水平收斂的限制大大減小，因此，此處水平收斂值最大。

綜上所述，當圍巖中存在破碎帶，尤其是斜向破碎帶時，隧道開挖時不僅要注意破碎帶區的圍巖變形，也要注意破碎帶前后一定范圍內的圍巖變形，在采取注漿加固時應適當擴大注漿范圍。

4.選擇合適的教學技術。利用多媒體課件和網絡信息資源，做到“互聯網+課堂教學”，可以讓課堂教學全校同步，做到“班班通”，甚至“校校通”。

3.3 開挖滲流及注漿加固對圍巖開挖變形影響

考慮開挖滲流影響，采用超前帷幕全斷面注漿加固，注漿加固范圍為5 m，注漿圈滲透系數取2.0×10-5cm/s，其他參數同表3。

3.3.1滲流場分析

對破碎帶圍巖注漿前后分別進行滲流分析，得到注漿加固前、后圍巖孔隙水壓力分布圖，如圖9所示。

圖9 注漿前后破碎帶圍巖孔隙水壓力云圖

由圖9可見：

1) 注漿加固前，由于破碎軟巖滲透系數大于其兩側圍巖滲透系數，破碎軟巖處水壓力小于兩側圍巖，因此破碎帶處孔隙水壓力比兩側圍巖孔隙水壓力小。

2) 注漿加固后，整個隧道周邊圍巖滲透系數減小，注漿圈承擔了一部分水壓力，使得整個隧道周邊孔隙水壓力增大，減小開挖滲流的影響，同時整個隧道周邊孔隙水壓力分布更加均勻，幾乎可以忽略破碎帶的影響。

進行應力-滲流耦合分析，得到破碎帶圍巖在滲流作用下注漿加固前后位移云圖，如圖10所示。

圖10 加固前后破碎帶圍巖開挖總位移云圖

提取破碎帶處不考慮滲流情況、完整圍巖150 m水頭差、破碎帶150 m水頭差，以及破碎帶注漿后的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂的計算結果，如圖11所示。

由圖11可見：

1) 相較于不考慮滲流情況，在考慮滲流時，高水位下破碎帶與其兩側圍巖變形差異更大，尤其是破碎帶拱底隆起值高達300 mm，此時，拱底基本已產生隆起破壞，這也是加固前含破碎帶圍巖開挖總位移、豎向位移云圖色彩范圍聚集在破碎帶拱底處的原因，如圖11a)所示，因此必須對圍巖進行注漿加固處理。

圖11 不同情況位移場曲線對比圖

2) 破碎帶在注漿加固后其拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂值均大幅減小，且最終變形值均比完整圍巖還小，變形過程較完整圍巖更加平緩。這主要是由于注漿加固后，隧道周邊圍巖滲透系數減小，整個隧道周邊孔隙水壓力分布更加均勻。另外，注漿圈承擔了一部分水壓力，減小開挖滲流的影響，加上注漿圈材料參數的提高，幾乎可以忽略破碎帶的影響，使得圍巖變形值大幅減小。

4 現場監測與模擬結果對比分析

提取注漿加固后的斷面1～5開挖后的圍巖變形數值模擬結果，并對比K16+440，K16+445，K16+450，K16+0455，K16+460的拱頂下沉和水平收斂的監測結果，如圖12所示。

圖12 實測結果與模擬結果對比圖

由圖12可見：

1) 各斷面開挖后的實測變形與數值模擬變形規律基本一致，但拱頂下沉、水平收斂實測結果均比數值模擬結果偏大，且不同位置偏大程度不同。

經分析認為，由于數值模擬中圍巖物理力學參數取值的誤差，加上現場施工中，支護施作的實際效果不可能達到理想設計效果，破碎帶區的注漿加固后的圍巖參數應小于其兩側圍巖參數，而不是數值模擬中取用的相同值，這是造成實測結果偏大的原因，因此實測拱頂下沉及水平收斂最大值均發生在K16+450處。不同位置偏大程度不同是由于斜向破碎帶在不同斷面破碎圍巖分布不同，例如，K16+450斷面實測拱頂下沉值約為模擬值的1.8倍，而K16+460斷面實測拱頂下沉值僅為模擬值的1.2倍，這是由于K16+450斷面完全處在破碎帶內，K16+460斷面只有一小部分處在破碎帶內。

2) 水平收斂測線a比測線b收斂值大，模擬值約介于兩者之間。

這是因為測線a在上臺階開挖后布設，測線b經下臺階開挖后布設，測線b經上臺階開挖，位移已得到一定程度的釋放，在數值模擬中，水平測線取的是上下臺階交界線，因此收斂值介于測線a、b之間。

3) 實測圍巖變形收斂距離大于數值模擬變形收斂距離，且此后變形速度維持在一定水平，表現出圍巖流變效應。

以K16+445斷面為例，數值模擬拱頂下沉變形基本收斂(變形速度≤0.1 mm/d)時，斷面距掌子面2.0R，且此后變形速度越來越小趨近于零，但是實測拱頂下沉變形基本收斂時，斷面距掌子面約為2.8R，且此后的3.2R范圍內監測變形速度一直維持在0.05～0.08 mm/d之間。

隧道開挖過程中，洞身應力得到釋放，圍巖應力產生重分布。理論上，如果在這種重分布完成后其圍巖應力不超過圍巖的支護條件和強度，則隧洞的開挖將會保持穩定和安全，但實際情況并非如此。在實際的開挖過程中，不論掌子面的開挖距離如何，甚至掌子面的空間效應作用較大時，隨著時間的推移，洞室仍有失穩甚至坍塌的可能出現。這表明，隧道圍巖的變形，是隨著時間的變形而不斷繼續演變和發展的，而更多的工程實際表明，流變是普遍且長期存在的。

5 結論

1) 當圍巖中存在破碎帶，尤其是斜向破碎帶時，隧道開挖不僅影響破碎帶區的圍巖變形，對破碎帶前后的圍巖變形也有較大影響，在采取注漿加固時應適當擴大注漿范圍。在滲流影響下，高水位下破碎帶處圍巖開挖變形急劇增大，對比注漿前，破碎帶注漿后圍巖變形得到明顯改善。

2) 破碎帶注漿加固后，實際監測變形值比數值模擬變形值大很多，要區分破碎帶與其兩側圍巖的加固效果，在數值模擬時要弱化破碎帶加固后的圍巖參數；同時要注重圍巖的流變效應，不能忽視距掌子面較遠斷面的監控工作，要密切關注圍巖的動態變形，充分發揮施工監控的作用。

[1] 張有天.巖體水力學與工程[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[2] 仵彥卿,張倬元.巖體水力學導論[M].成都:西南交通大學出版,1995.

[3] 楊天鴻,李連崇,唐春安.巖石破壞過程中滲流-損傷關系的認識：兼對唐紅俠博士提問的答復[J].巖石力學與工程學報,2004,(24):4254-4257.

[4] 朱珍德,郭海慶.裂隙巖體水力學基礎[M].北京:科學出版社,2007.

[5] 紀佑軍,劉建軍,程林松.考慮流-固耦合的隧道開挖數值模擬[J].巖土力學,2011,32(4):1229-1233．

[6] 吉小明,王宇會,陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數值模擬[J].巖土力學,2007,28(增刊1):379-384．

[7] 李小青.隧道施工技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[8] 劉英棨,張謝東,李佳莉,等.基于反分析法的淺埋隧道圍巖應力釋放率研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2015,39(6):1259-1262,1268.

[9] 任文峰.高水壓隧道應力場-位移場-滲流場耦合理論及注漿防水研究[D].長沙:中南大學,2013.