長大深埋排水隧道在不同施工方法下圍巖穩定性

覃 黎， 劉 洋， 張澤天， 曹志國， 張 凱， 張文舉

(1.四川大學 a.水利水電學院；b.深地科學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 深地科學與綠色能源研究院,廣東 深圳 518060；4.中國市政工程西南設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雜擁擠，使得通過建設淺層地下排水管道來提高城市排水標準和完善截污系統變得異常困難，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力和地質環境十分復雜，在開挖施工過程中可能出現片幫、坍塌、巖爆和片狀剝落等一系列破壞現象[2-6]，影響圍巖穩定。這些現象除了與巖石性質、地質構造、地應力有關外，也與施工方法、支護類型等因素有緊密聯系。

在圍巖穩定性分析方面，國內外許多學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、單側壁導坑法和雙側壁導坑法)下地表沉降、隧道圍巖位移和塑性區的變化規律；周宗青等[8]采用簡化圍巖地質條件的三維計算模型，對比分析了全斷面法、上下臺階法、導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]應用FLAC3D應變軟化模型研究了全斷面施工下圍巖及支護結構的穩定性；李力[10]分別采用三臺階法和CRD法開挖進行數值模擬，探索了這2種開挖方法下隧道圍巖的應力、位移和塑性區的特征，研究了這兩種開挖方法對隧道圍巖穩定性的影響，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力、位移的時空演化規律和圍巖擾動特征，并結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，為支護手段和參數的選擇提供依據。

本文根據典型斷面的實際地質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、三臺階上導洞法、三臺階下導洞法)下隧道支護結構的安全可靠性與圍巖的穩定性，并研究了圍巖變形和塑形區對彈性模量、黏聚力和內摩擦角的敏感性。

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、隧道維護和動力災害防治將極為困難,對現有的開挖技術和支護技術是一個嚴峻挑戰，因此急需研究長大深埋排水隧洞圍巖穩定性。

樁號K2+260～K2+310區域圍巖為IV類圍巖，局部構造發育帶為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；強風化花崗巖厚為12.9 m；弱風化花崗巖厚為7.7 m，隧道頂部至微風化花崗巖與弱風化花崗巖的分界線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類圍巖支護結構圖如圖2所示。

圖2 深埋排水隧道IV類圍巖支護結構圖(mm)

2 數值模擬

2.1 計算模型和計算參數

本文采用FLAC3D有限差分程序對背景工程進行模擬計算。已有研究表明，對于地下洞室開挖后的應力以及應變，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。建立數值計算模型時，考慮到計算精度，隧道附近處網格較密，遠離隧道處網格較稀疏，較好地滿足模型計算精度要求[13]。計算模型y方向網格長均為1 m；隧道x、z方向網格長0.7 m；圍巖x方向網格長均為2 m，z方向網格從微風化黃崗巖到素填土長依次為2、3、4、5、5 m。

圖3 整體模型

通過室內巖石力學試驗和巖體結構面現場地質調查，可確定巖層的物理力學參數取值如表1所示。

表1 各土層及巖層物理力學參數

c為黏聚力，φ為內摩擦力

2.2 施工過程模擬

采用數值計算對全斷面法、三臺階法、三臺階上導洞法及三臺階下導洞法，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參數如表2所示。

表2 排水隧道襯砌物理力學參數

隧道施工模擬過程中，具體施工分部見圖4。當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，中間導洞寬3 m；采用三臺階下導洞法施工時，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，臺階法與上下導洞法的臺階長均為12 m。

圖4 隧道開挖分部圖(mm)

3 數值模擬結果及分析

3.1 不同施工方法應力、塑性區及位移場分析

(1) 應力場分析。全斷面法、三臺階法、三臺階上導洞法以及三臺階下導洞法施工中，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、壓應力

其中，當采用全斷面法施工時最大拉應力主要集中在拱頂及拱底，說明當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、三臺階上導洞法和三臺階下導洞法施工時最大拉應力主要集中在拱底，說明當采用以上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。

為了評價隧道結構的安全性，可以求出隧道結構的安全系數,

(1)

式中：k為結構的安全系數;eR為混凝土的極限抗壓、抗拉強度，maxes為結構受到的最大拉、壓應力。

根據式(1)對排水隧道襯砌抗拉、抗壓進行驗算，最小安全系數分別為2.87、26.98，說明隧道最大拉、壓應力驗算均滿足要求，采用三臺階下導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見表4。

表4 隧道襯砌安全系數

(2) 塑性區分析。采用全斷面法、三臺階法、三臺階上導洞法及三臺階下導洞法施工隧道塑性區大小依次為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) 三臺階上導洞法

(d) 三臺階下導洞法

圖5 不同施工方法下隧道塑性區分布圖

(3) 位移場分析。與三臺階法、三臺階上導洞法以及三臺階下導洞法相比，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；采用三臺階上導洞法施工隧道最大水平側向位移最小，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：

[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《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(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規范》(GB 50086-2015)規定的允許變形。

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化花崗巖的彈性模量E、黏聚力c以及內摩擦角φ進行應力場、塑性區、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) 應力場敏感性分析。由圖6可知，影響襯砌應力大小的力學參數的敏感度從大到小依次為E、c以及φ，當E的相對變化率大于0.8時，襯砌的拉應力急劇增大。

(a) 拉應力

(b) 壓應力

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

(3) 位移場敏感性分析。如圖8所示，圍巖力學參數對圍巖最大豎向、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 圍巖塑性區敏感度分析

(a) 最大豎向位移

(b) 最大水平位移

4 結 論

本文運用FLAC3D數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力變化，分析了不同施工方法下圍巖變形，得到了以下結論：

(1) 不同施工方法下(全斷面法、三臺階法、三臺階法、三臺階下導洞法)隧道的最大拉、壓應力均小于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、三臺階上導洞法、三臺階下導洞法相比，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力較大。

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