斜井盾構掘進時富水圍巖變形特性模擬分析

馬君偉，王賢能，林明博

(深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東 深圳 518026)

在煤礦斜井施工過程中，常常遭遇富水軟巖地層圍巖。若不能準確掌握這些圍巖在掘進中的變化規律，從而采取合適的處置方法，就容易發生斜井垮塌涌水和卡盾抱箍等施工事故。如果斜井坡度大，使用盾構掘進時將面臨新的圍巖特性變化，因此必須對大坡度斜井圍巖變化特性進行研究，以指導施工。

軟巖條件下圍巖穩定性的研究成果較多。趙術江[1]對新疆沙吉海煤礦工程地質條件、巖石物理力學特性及圍巖結果成分進行研究，總結了軟巖巷道變形破壞特性，確定了影響軟巖巷道圍巖穩定性的主控因素；王天佐[2]通過直剪蠕變試驗，得出了軟巖蠕變狀態隨剪應力變化的規律；賈善坡等[3]根據莫爾庫倫準則，建立了黏土巖耦合模型，為軟巖隧洞變形的建設和施工提供了理論依據；伍永平等[4]研究了富水隧洞圍巖的破壞失穩機理，認為屈服面位移及應力矢量呈非線性、非穩態變化，有效應力變化和塑性區失穩的前提條件是隧洞孔隙水壓力矢量方向的改變，同時剪切變形局部化也是一個重要原因；崔增輝[5]、儲昭飛等[6]、李權[7]、劉浩旭等[8]等對軟巖條件下的盾構掘進過程進行數值模擬，總結了周邊圍巖的應力應變規律。以上研究針對軟弱圍巖特性展開研究，只考慮盾構、斜井和軟巖中的一個或兩個條件；而在數值模擬方面，也未對滲流與無滲流兩種工況進行對比研究。

熊良宵[9]、熊曉暉[10]、盛素玲[11]等對滲流場作用下平洞與斜井的圍巖力學特性進行對比研究，得出坡度對隧道各點孔隙水壓力、最大主應力和變形的影響，但未對不同埋深條件下的坡度影響作進一步的研究。

本文結合考慮軟巖、斜井和盾構三種條件，對比滲流與無滲流兩種工況，研究斜井盾構施工中軟弱圍巖的變形特性。同時將坡度對圍巖的影響放置在不同埋深條件下，以研究坡度對軟巖穩定性的影響，結果可為其他不同埋深條件下的斜井盾構工程施工提供參考。

1 工程地質概況

項目依托的煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市境內，礦井生產能力約為20 Mt/a，礦井面積130.9 km2，可開采量約為1 430 Mt，其單井生產能力居世界第一。

本文主要研究K1+965.443至K2+075.628段，模擬計算的斜井主要用作輔助運輸巷道，斜井總長2 744.54 m，明挖段26.316 m、盾構段2 718.224 m，井筒凈直徑為6.6 m，斜井坡度5.5°。緩沖臺長50 m，每1 000 m設置一個。主要地層巖性見表1。

表1 主要地層巖性特征

第四系全新統(Q4)主要為風積砂和沖洪積卵礫石層，風積砂廣泛分布于地表，粒級多為細粒，多呈波狀起伏沙丘，厚度約4.5～22.6 m。

下白堊-上侏羅統志丹群(J3-K1zh)在場地內分布厚度較小，在沖溝地段兩側部分出露于地表，總體趨勢沿井筒中心線東段較薄，西段較厚，平均厚度約40 m。

侏羅系中下統延安組(J1-2y)地層為本區的主要含煤地層，地表無出露，為一套陸相碎屑含煤構造，本次揭露最大厚度為110 m，層位分布穩定。

2 數值分析模型

斜井埋深為11.0～281.1 m，砂質地層占總埋深的97%。因斜井穿越的第四系風積細砂、志丹群中粒砂巖、延安組細粒砂巖段地下水豐富，巖層透水性較好，對斜井盾構施工影響較大，因此對該區域段進行數值模擬，對斜井開挖過程中的圍巖及襯砌穩定性進行研究。有限元計算模型如圖1所示。初始條件只考慮圍巖及結構自重、地下水的滲流影響，計算模型取自無反沖平臺段，長度為50 m。

圖1 計算模型

根據地質資料，模型尺寸設計為100 m(長)×100 m(寬)×50 m(高)。根據隧道埋深情況，盾構到邊界距離按3～5倍洞徑選取，整個模型劃分為39 400個單元，42 566個節點。對盾構開挖過程的模擬采用釋放單元節點處荷載的方法進行。采用有限元程序提供的激活單元和殺死單元以及材料參數變換等功能模擬盾構隧道的掘進、管片拼裝的過程。其中，盾構、間隙體、注漿體和地層參數見表2和表3。

表2 盾構及注漿體力學材料參數

表3 巖土體力學材料參數

3 斜井盾構掘進圍巖變形特征

3.1 盾構斷面變形分析

計算中模擬隧道開挖時，根據采用有限元程序提供的“生”與“死”及材料參數變換功能進行處理，通過分次殺死單元和分次激活單元和變換不同位置的材料參數來模擬盾構隧道的掘進、管片拼裝的過程。

圖2為盾構掘進過程中圍巖三維變形云圖。

圖2 盾構收斂變形云圖

從圖2的斜井斷面三維變形圖可以看出，洞室圍巖變形有明顯的空間效應，當開挖面前方超過2D的距離后，圍巖受洞室開挖的影響很小。開挖對洞頂上方的影響距離約為2D(D為隧道開挖直徑)。

斜井開挖過程中，考慮隧道開挖卸荷影響，卸荷時間間隔設置為2 h，分2步進行，以模擬隧道不同時間不同卸荷水平的影響。斜井在掘進過程中圍巖的塑性和卸荷區域分布見圖3。圖中色塊百分比主要指各區域的卸荷率。

圖3 斜井在不同掘進時間下圍巖的塑性和卸荷區域分布

洞室圍巖塑性區域主要分布在洞室拱腰附近，呈X型分布。在斜井盾構掘進中，隨著洞室開挖深入，在洞室的拱頂、拱底及開挖面附近都出現了卸荷，卸荷率主要為40%～60%，卸荷區域的體積呈線性增加。

3.2 圍巖位移

沿盾構縱向間隔8 m選擇若干觀測斷面，每個觀測斷面選取頂部、底部和左右兩側4個監測點。頂部和底部監測豎向位移，左右兩側監測水平位移。圖4顯示盾構掘進至40 m位置的位移變化曲線。

圖4 監測點位移縱向變化情況

指向坐標軸原點為開挖方向。拱頂和底部變形值，正值為沉降，負值為隆起；拱腰處變形，正值為向右變形，負值為向左變形。

從圖4可以看出：掌子面位置為40 m處，0～40 m范圍內為掌子面后方，40～100 m為掌子面前方。目標觀測面附近最大隆起量發生在開挖面后方3～5 m范圍內；目標觀測面附近最大沉降量發生在開挖面前方10～15 m范圍內。

將開挖面上各點變形情況繪制為圖5。由圖5可知，隧洞圍巖向隧道中心收縮變形，其中頂部和底部的縱向收縮程度較兩側的橫向收斂變形大，隧洞呈現橢圓形變化趨勢。

圖5 壓扁效應示意圖(單位：cm)

3.3 滲流條件

在隧洞圍巖滲流的全過程中，水與圍巖的相互作用始終存在，是隧洞圍巖變形的重要因素，因此研究水頭對斜井圍巖和結構變形的影響具有重要意義。取距離洞口40 m處圍巖為對象，比較其在有無滲流兩種情況下，隧洞周邊圍巖的變形情況，結果如圖6。

圖6 有滲流和無滲流情況下隧道頂部圍巖變形

圖6表明，有無滲流作用情況下，隨著開挖過程的進行，盾構周圍圍巖的變形規律相似。但考慮滲流作用下，盾構周圍圍巖變形量要比不考慮滲流作用下的變形量大，最大相差10 cm。為便于分析，將附近一點處的兩種情況變形繪制于圖7中。

圖7 考慮滲流與否盾構周圍圍巖變形(單位：cm)

從圖6和圖7可知：在滲流作用下，圍巖產生了更加明顯的收縮，無滲流作用下的圍巖變形約為滲流作用下的圍巖變形的50%，圍巖的滲流作用使得盾構管片壓扁效應更為明顯。

4 不同埋深下斜井坡度對圍巖位移的影響

將盾構周圍4個監測點圍巖變形隨開挖的變化繪制于圖8中。

圖8 監測斷面圍巖變形曲線

由圖8可知，盾構掘進周圍土體各部分受到的擾動效果不一樣:拱頂變形為3.5 cm，較其他三處位移偏大，說明拱頂處受開挖擾動最大。盾構周圍關鍵部位受盾構施工擾動程度為：頂部>兩側>底部。因此，考慮斜井坡度與盾構掘進過程中圍巖位移關系時，應重點研究在盾構頂部和兩側位移的變化情況。

考慮縱坡值分別為0°、2°、4°、6°、8°和10°，埋深分別為20 m、40 m、60 m、80 m和100 m幾種工況，將盾構開挖掘進過程中引起的盾構頂部和側向監測點位移繪制于圖9。

圖9 各坡度監測點位移

由圖9可以看出：

(1)當斜井縱坡坡度<4°時，盾構頂部監測點豎向位移與側向監測點水平位移相差較小，但均隨斜井埋深的增大而增大。

(2)當斜井縱坡坡度>4°后，盾構掘進引起的頂部豎向位移與側向水平位移間差值隨著埋深的增加而逐漸增大。

(3)無論坡度如何變化，頂部豎向位移值始終大于側向水平位移值，表明拱頂受開挖擾動的影響最大。

(4)坡度越大，側向水平位移越小，而頂部豎向位移變化較小。

5 結論

(1)開挖對洞室圍巖影響范圍主要在掌子面前后1倍洞徑內，超過2倍洞徑后，其影響程度較小，而對于洞頂上方的影響范圍，其距離大約為2倍洞徑。

(2)隧洞的塑性區集中在拱腰區域，呈X形狀分布。隨著隧洞開挖的進行，隧洞圍巖出現卸荷效應，其卸荷率為40%～60%，其卸荷區域的體積呈線性增加。斜井盾構在富水軟巖中掘進時，隧洞周圍圍巖向隧道中心收斂變形，其中頂部和底部的縱向收縮程度較拱腰兩側的橫向收斂變形較大，隧洞呈現橢圓形變化趨勢。最終的滲流作用下的圍巖變形約是無滲流作用下的2倍，橢圓形變化趨勢加劇。

(3)盾構掘進面前方土體各部分受到的擾動效果不同，盾構周圍關鍵部位受盾構施工擾動程度為：頂部>兩側>底部。

(4)斜井坡度大于4°時，頂部豎向位移與側向水平位移間差值隨著埋深的增加而逐漸增大。