長大深埋排水隧道在不同施工方法下圍巖穩(wěn)定性

覃 黎， 劉 洋， 張澤天， 曹志國， 張 凱， 張文舉

(1.四川大學(xué) a.水利水電學(xué)院；b.深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室，成都 610065；2.神華集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011；3.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院,廣東 深圳 518060；4.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，成都 610081)

0 引 言

隨著我國城市化進程的加快，城市地下空間利用率也不斷提高[1]。地下建筑物日益密集和管線日益復(fù)雜擁擠，使得通過建設(shè)淺層地下排水管道來提高城市排水標(biāo)準(zhǔn)和完善截污系統(tǒng)變得異常困難，且代價巨大，為解決雨水、生活污水的排澇問題，未來的城市必將建設(shè)一大批長洞線、大斷面、深埋藏的排水隧道工程。而深部巖體所處的應(yīng)力和地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，在開挖施工過程中可能出現(xiàn)片幫、坍塌、巖爆和片狀剝落等一系列破壞現(xiàn)象[2-6]，影響圍巖穩(wěn)定。這些現(xiàn)象除了與巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力有關(guān)外，也與施工方法、支護類型等因素有緊密聯(lián)系。

在圍巖穩(wěn)定性分析方面，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了一系列研究。王偉鋒等[7]研究了4種施工方法(全斷面法、短臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法)下地表沉降、隧道圍巖位移和塑性區(qū)的變化規(guī)律；周宗青等[8]采用簡化圍巖地質(zhì)條件的三維計算模型，對比分析了全斷面法、上下臺階法、導(dǎo)洞超前開挖法下宜巴高速公路石門埡隧道的水平位移、拱頂沉降和先行位移；賈劍青等[9]應(yīng)用FLAC3D應(yīng)變軟化模型研究了全斷面施工下圍巖及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；李力[10]分別采用三臺階法和CRD法開挖進行數(shù)值模擬，探索了這2種開挖方法下隧道圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的特征，研究了這兩種開挖方法對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并且得出了CRD法更適合IV級以上圍巖施工的結(jié)論；徐晨[11]對隧道全斷面開挖過程進行模擬，獲得了開挖引起的應(yīng)力、位移的時空演化規(guī)律和圍巖擾動特征，并結(jié)合單孔聲波測試法和UDEC離散元軟件研究了米倉山隧道深埋段開挖損傷范圍，為支護手段和參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

本文根據(jù)典型斷面的實際地質(zhì)剖面圖建立三維計算模型，研究4種施工方法(全斷面法、三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法、三臺階下導(dǎo)洞法)下隧道支護結(jié)構(gòu)的安全可靠性與圍巖的穩(wěn)定性，并研究了圍巖變形和塑形區(qū)對彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的敏感性。

1 工程背景

本文以某市深埋排水工程為研究背景，隧道總長8.6 km，埋深大多在70～80 m，最大埋深125 m，斷面面積50.97 m2，屬于“長、大、深”隧道(洞線長、斷面大、埋藏深)。謝和平等[12]認為深部隧道，圍巖大塑性變形和高能量積聚相伴而生，頂板控制、隧道維護和動力災(zāi)害防治將極為困難,對現(xiàn)有的開挖技術(shù)和支護技術(shù)是一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此急需研究長大深埋排水隧洞圍巖穩(wěn)定性。

樁號K2+260～K2+310區(qū)域圍巖為IV類圍巖，局部構(gòu)造發(fā)育帶為V類均為硬巖組成的巖洞，隧道埋深77 m。其中，素填土厚30.2 m；花崗巖殘積土厚為10.6 m；強風(fēng)化花崗巖厚為12.9 m；弱風(fēng)化花崗巖厚為7.7 m，隧道頂部至微風(fēng)化花崗巖與弱風(fēng)化花崗巖的分界線15.6 m。具體工程概況如圖1所示。

圖1 工程剖面圖

隧道采用馬蹄形橫斷面，跨度9.03 m，高10 m，深埋排水隧道IV類圍巖支護結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 深埋排水隧道IV類圍巖支護結(jié)構(gòu)圖(mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型和計算參數(shù)

本文采用FLAC3D有限差分程序?qū)Ρ尘肮こ踢M行模擬計算。已有研究表明，對于地下洞室開挖后的應(yīng)力以及應(yīng)變，僅在洞室周圍距離洞室中心點3～5倍的隧道開挖高度與寬度中的較大值范圍內(nèi)存在實際影響。本文中排水隧道的開挖高度和跨度分別為10、9.03 m。因此，數(shù)值計算模型的尺寸確定為水平及豎直邊界距離開挖中心3倍的最大開挖跨度。模型在x、y、z3個方向上的尺寸分別為70、50及117 m。模型的前后左右邊界約束其法向位移，底部約束z方向上的位移，頂部為自由邊界。

整體計算模型如圖3所示。建立數(shù)值計算模型時，考慮到計算精度，隧道附近處網(wǎng)格較密，遠離隧道處網(wǎng)格較稀疏，較好地滿足模型計算精度要求[13]。計算模型y方向網(wǎng)格長均為1 m；隧道x、z方向網(wǎng)格長0.7 m；圍巖x方向網(wǎng)格長均為2 m，z方向網(wǎng)格從微風(fēng)化黃崗巖到素填土長依次為2、3、4、5、5 m。

圖3 整體模型

通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗和巖體結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，可確定巖層的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 各土層及巖層物理力學(xué)參數(shù)

c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦力

2.2 施工過程模擬

采用數(shù)值計算對全斷面法、三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法及三臺階下導(dǎo)洞法，4種施工方法的施工過程進行模擬，主要包含以下幾個步驟：①自重應(yīng)力場的形成；②隧道的開挖，本文中隧道開挖進尺為3 m；③隧道支護。其中，隧道初期支護采用22 cm厚C25噴射混凝土，R25中空注漿錨桿(長3.5 m)，縱向間距為1.5 m，梅花形布置；二次襯砌采用50 cm厚C30混凝土。

計算中的錨桿采用cable單元進行模擬，噴混凝土和模筑混凝土均采用實體單元進行模擬。排水隧道混凝土襯砌的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 排水隧道襯砌物理力學(xué)參數(shù)

隧道施工模擬過程中，具體施工分部見圖4。當(dāng)模擬全斷面法施工時，一次性開挖圖中①、⑤部；采用三臺階法施工時，先開挖①、②部，再開挖③部，最后開挖④、⑤部，開挖的高度從上到下依次為4、3、3 m；采用三臺階上導(dǎo)洞法施工時，先開挖①部，再開挖②部，然后開挖③部，最后開挖④、⑤部，開挖的高度與三臺階法一致，中間導(dǎo)洞寬3 m；采用三臺階下導(dǎo)洞法施工時，先開挖⑤部，再開挖④部，然后開挖③部，最后開挖①、②部，開挖的高度與三臺階法一致，導(dǎo)洞寬3 m，開挖的高度從上到下依次為3、3、4 m。上述4種施工方法中，臺階法與上下導(dǎo)洞法的臺階長均為12 m。

圖4 隧道開挖分部圖(mm)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 不同施工方法應(yīng)力、塑性區(qū)及位移場分析

(1) 應(yīng)力場分析。全斷面法、三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法以及三臺階下導(dǎo)洞法施工中，采用三臺階法施工時隧道初期支護、二次襯砌最大拉應(yīng)力最大，值均為0.766 MPa，小于排水隧洞初期支護、二次襯砌所采用的C25、C30混凝土的極限抗拉強度2.0、2.2 MPa；采用全斷面法施工時隧道初期支護、二次襯砌最大壓應(yīng)力最大，值分別為0.664、0.834 MPa，小于深埋排水隧洞二次襯砌所采用的C25、C30混凝土的極限抗壓強度19.0、22.5 MPa(見表3)。

表3 隧道襯砌最大拉、壓應(yīng)力

其中，當(dāng)采用全斷面法施工時最大拉應(yīng)力主要集中在拱頂及拱底，說明當(dāng)采用該方法施工時排水隧道的拱頂及拱底處屬于較易破壞的位置；而采用三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法和三臺階下導(dǎo)洞法施工時最大拉應(yīng)力主要集中在拱底，說明當(dāng)采用以上3種方法施工時排水隧道的拱底處屬于較易破壞的位置。施工過程中應(yīng)該及時檢測相對容易破壞的位置，必要時針對易破壞位置采取一定的措施進行加固處理。

為了評價隧道結(jié)構(gòu)的安全性，可以求出隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),

(1)

式中：k為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù);eR為混凝土的極限抗壓、抗拉強度，maxes為結(jié)構(gòu)受到的最大拉、壓應(yīng)力。

根據(jù)式(1)對排水隧道襯砌抗拉、抗壓進行驗算，最小安全系數(shù)分別為2.87、26.98，說明隧道最大拉、壓應(yīng)力驗算均滿足要求，采用三臺階下導(dǎo)洞法施工對隧道的擾動最小，不同施工方法的具體安全系數(shù)見表4。

表4 隧道襯砌安全系數(shù)

(2) 塑性區(qū)分析。采用全斷面法、三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法及三臺階下導(dǎo)洞法施工隧道塑性區(qū)大小依次為160.64、331.93、287.08、199.39 m3，具體分布見圖5。采用全斷面法施工時隧道塑性區(qū)最小，說明該方法對隧道的擾動最小。

(a) 全斷面法

(b) 三臺階法

(c) 三臺階上導(dǎo)洞法

(d) 三臺階下導(dǎo)洞法

圖5 不同施工方法下隧道塑性區(qū)分布圖

(3) 位移場分析。與三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法以及三臺階下導(dǎo)洞法相比，采用全斷面法施工隧道初期支護、圍巖的最大豎向位移最小，值分別為1.76、1.95 mm；采用三臺階上導(dǎo)洞法施工隧道最大水平側(cè)向位移最小，值為0.17 mm；采用全斷面法開挖隧道圍巖最大水平位移最小，值為0.24 mm。采用全斷面法施工時隧道變形量最小。隧道最大豎向位移、水平位移分別如表5、表6所示。

分別計算隧道襯砌及圍巖的豎向、水平變形安全系數(shù)：

[UV]=uH/2

(2)

[UH]=uB/2

(3)

表5 隧道最大豎向位移 mm

表6 隧道最大水平位移 mm

式中：H為隧道高度;B為隧道寬度;u為極限相對位移值;[UV]、[UH]分別為豎向、水平向允許變形。

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086-2015)，隧道埋深在50～100 m，IV類圍巖的極限相對位移值u應(yīng)在0.4%～1.2%(見表7)，本工程埋深為77 m，采用插值法確定極限相對位移值u取0.47%。本工程隧道高為10 m，寬為9.03 m，代入式(2)、(3)可得：[Uv]=23.50 mm,[UH]=21.22 mm。

表7 隧洞、洞室周邊允許相對收斂值 %

不同施工方法下圍巖的變形量(見表5、表6)遠遠小于《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086-2015)規(guī)定的允許變形。

3.2 敏感度分析

參照文獻[14-15]中對敏感度進行定義：

(4)

式中：Sk為因素xk的敏感度，k=1，2，…，n；|ΔP/P|為系統(tǒng)特性的相對變化率；|Δxk/xk|為某一因素的相對變化率。

選擇全斷面施工方法分別對微風(fēng)化花崗巖的彈性模量E、黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ進行應(yīng)力場、塑性區(qū)、位移場的敏感性分析(見表8)。每次敏感性分析只變動其中1個因素，而保持其他因素不變。

表8 對比分析方案

(1) 應(yīng)力場敏感性分析。由圖6可知，影響襯砌應(yīng)力大小的力學(xué)參數(shù)的敏感度從大到小依次為E、c以及φ，當(dāng)E的相對變化率大于0.8時，襯砌的拉應(yīng)力急劇增大。

(a) 拉應(yīng)力

(b) 壓應(yīng)力

(2) 塑性區(qū)敏感性分析。塑性區(qū)范圍主要受黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，相對變化率在0～0.6時，黏聚力對塑性區(qū)影響最大；相對變化率在0.6～0.8時，黏聚力和內(nèi)摩擦角對塑性區(qū)影響相差不大；相對變化率大于0.8時，塑性區(qū)對彈性模量最敏感。相比黏聚力和內(nèi)摩擦角，彈性模量對塑性區(qū)幾乎沒有影響(見圖7)。

(3) 位移場敏感性分析。如圖8所示，圍巖力學(xué)參數(shù)對圍巖最大豎向、水平位移影響依次為彈性模量、黏聚力以及內(nèi)摩擦角，相對變化率大于0.8時，圍巖最大位移急劇增大。

圖7 圍巖塑性區(qū)敏感度分析

(a) 最大豎向位移

(b) 最大水平位移

4 結(jié) 論

本文運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了深埋排水隧道在不同施工方法下隧道的開挖支護過程，研究了隧道襯砌的變形與應(yīng)力變化，分析了不同施工方法下圍巖變形，得到了以下結(jié)論：

(1) 不同施工方法下(全斷面法、三臺階法、三臺階法、三臺階下導(dǎo)洞法)隧道的最大拉、壓應(yīng)力均小于C25、C30混凝土的極限抗壓強度(19.0、22.5 MPa)、極限抗拉強度(2.0、2.2 MPa)，即排水隧道襯砌按抗壓及抗拉驗算均安全。

(2) 隧道最大拉應(yīng)力主要集中在拱頂及拱底，說明排水隧道的拱頂、拱底屬于較易破壞的位置，施工過程中應(yīng)該及時檢測，必要時采取一定的措施對拱底進行加固處理。

(3) 與三臺階法、三臺階上導(dǎo)洞法、三臺階下導(dǎo)洞法相比，隧道采用全斷面法施工時圍巖的豎向位移和水平位移最小，襯砌及隧道周邊圍巖中的應(yīng)力較大。

(4) 通過參數(shù)敏感度分析，確定了本工程實際的主要影響參數(shù)和次要影響參數(shù)：襯砌應(yīng)力、圍巖變形對彈性模量最為敏感，其次是黏聚力，然后是內(nèi)摩擦角；黏聚力和內(nèi)摩擦角對塑性區(qū)影響較大，彈性模量對塑性區(qū)影響很小。