湖北興山縣礦山水工隧洞圍巖穩定性影響因素分析

呂東陽，何小龍

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010）

礦山法施工水工隧洞對地表沉降具有一定影響，對于水工隧洞開挖過程中地表沉降的研究方法主要有：數值分析方法、理論計算法、經驗分析法、縮尺模型試驗法等，理論計算法最常用的方法是Peck［1］基于理論分析及經驗總結出來的Peck公式，常用于單條水工隧洞開挖過程中地表沉降的研究。

目前，國內外專家學者對水工隧洞開挖過程中地表沉降的研究取得了較大進展，并獲得較多科研成果：O’Reilly等［2］以水工隧洞施工現場地表沉降實測數據為研究基礎，分析了影響水工隧洞開挖的參數對地表沉降的影響，并結合相關研究，得出了分析地鐵水工隧洞施工過程中地表沉降的計算公式；韓煊等［3］將Peck公式應用于實際工程應用中，并分析監測結果與計算結果的差異，提出了實際應用中對Peck公式的調整；段寶福等［4］以某地鐵實際工程為研究背景，分析了地質狀況差異、隧道結構參數及周圍建筑物作用對隧上方地表沉降的影響；姚愛軍等［5］對吉林某地鐵工程進行研究，分析了地鐵隧道施工過程中地表沉降的監測數據，并于Peck公式計算結果對比分析，分析了差異存在的原因，并對Peck公式在該工程應用背景下做了相應的修正；周小文等［6］利用離心實驗的方法對水工隧洞施工過程中襯砌結構對地表沉降的影響進行分析；賀凱等［7］構建了三維模型縮尺實驗，分析了西安某地鐵工程地層裂隙作用對地表沉降的影響；常翔［8］在某實際地鐵工程的地質狀況實測數據基礎上，建立了三維數值分析模型，分析了地鐵隧道施工對地表及交叉既有隧道沉降的影響。

基于前人通過數值分析方法、理論計算法、經驗分析法、縮尺模型試驗法等分析水工隧洞施工對地表沉降的基礎上，本研究采用有限元數值模型模擬水工隧洞施工地表沉降，并與現場檢測數據對比評價模型的適用性，分別分析水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況、水工隧洞上覆地層狀況、水工隧洞爆破進尺效應對地表沉降的影響。

1 工程概況

湖北興山縣礦山水工隧洞全長37.20km，本研究以其中某區間水工隧洞（Ⅴ工段）為研究對象，該區間水工隧洞結構平均埋深約17.5m，襯砌結構拱頂平均埋深約11.5m，水工隧洞截面形式采用單洞單線馬蹄型斷面，襯砌結構內部凈高4.60m，凈寬5.20m，結構斷面采用復合襯砌結構，周邊布置帷幕防水，該區間采用礦山法施工方式進行施工，Ⅴ工段范圍內沿南北走向，由南向北地勢逐漸降低。

為了監測地表沉降，沿著水工隧洞走向布置了沉降監測儀，沿著水工隧洞走向監測點布置間距約20m，在較為重要的區段內適當加密沿著水工隧洞走向監測點。每個檢測儀豎向布置8～15個監測點，對于同一水平截面的斷面，布置7個沉降監測儀，在較為重要的區段適當加密橫斷面監測點。監測儀在水平面上布置如圖1。

圖1 水平面上監測儀布置

2 建立模型

為了探究不同條件下水工隧洞地表沉降值及分析對沉降的影響，本研究對該水工隧洞建立有限元數值分析模型，模型如圖2，模型長60m，寬50m，高50m，將水工隧洞劃分為20.19萬個單元，采用摩爾-庫倫模型對水工隧洞進行研究，模型選擇為：水工隧洞襯砌結構采用彈性模型，水工隧洞挖出土體采用空模型。該區間范圍內水工隧洞結構所承受的圍壓為Ⅳ～Ⅵ級，水工隧洞開挖采用CD法開挖，開挖前對水工隧洞周圍圍巖進行超前小導管注漿加固，防止周圍圍巖破裂或坍塌。模擬前，為了更好地模擬實際工程狀況，將初期支護外1.0m范圍內的巖體內摩擦角和黏聚力增大30%，CD開挖模擬過程中，上下臺階的爆破深度分別為1.0，1.5m，兩臺階開挖間距為5.0m，每段開挖之后加入100個計算步，該模擬過程為水工隧洞爆破開挖后到初期支護之前的圍巖應力作用。

圖2 水工隧洞結構模型

模型中土層分布如表1，該水工隧洞上部結構土層為上軟下硬復合地層。

表1 土層分布

將Ⅴ工段起點100m的斷面實測值與模擬值對比如圖3，沉降數據的數據擬合采用高斯峰值函數，下列圖中的點代表沉降數據，曲線為沉降數據擬合曲線。

根據圖3分析可得，圖中模擬結果與實測結果變化趨勢基本吻合，均呈現沿著水工隧洞中心線向兩側減小的變化趨勢，數據擬合狀況較好，但存在微小差異，分析其原因：主要是由于模型中假設地層為均值地層，且不考慮其他影響沉降的因素，但實際工況中，地層是非均質的，地層中存在不良地質的狀況，地層中水分的滲入及施工的不確定因素等均是造成這種差異的原因，模型總體上可以很好地模擬實際水工隧洞施工時地表的沉降。

圖3 Ⅴ工段起點100m位置處實測值與模擬值

3 地表沉降的影響因素分析

3.1 水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況

水工隧洞在施工中，水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況可以使得結構的力學特征發生差異性變化，進而使地表沉降不同，本研究對不同圍巖進行劃分研究，劃分為：全軟巖、軟硬層厚度比2∶1、軟硬層厚度比1∶1、軟硬層厚度比1∶2、全硬巖。分別對這5種地層建立數值模型，分析水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況差異對地表沉降的影響。不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的地表沉降結果如圖4，不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的沉降槽特征如表2。

圖4 不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的地表沉降

表2 不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的沉降槽特征

分析計算結果可得：全軟巖地表沉降的最大值為23.439mm，全硬巖地表沉降的最大值為3.414mm，兩種地層分布情況下地表沉降差值為20.025mm；對于地層損失率，全軟巖是全硬巖10倍。對于不同洞身周圍的地層軟硬狀況，地層的總體軟硬越硬，地表沉降、地層損失及地層損失率均越小，且沉降范圍越小，但地層的總體軟硬越軟，則變化規律相反。對于沉降槽寬度系數i最大值為當軟硬層厚度比為1∶2時，此時沉降槽寬度系數i值為8.046m；沉降槽寬度系數i最小值為全硬巖時，此時沉降槽寬度系數i值為6.293m。且軟硬層厚度比不同時對沉降槽寬度系數i值影響較小，均保持在8.000左右，且均大于單一地層。

3.2 水工隧洞上覆地層狀況

由地層分布狀況可知，Ⅴ工段水工隧洞上覆地層主要是素填土、粉質黏土及強風化粗粒花崗巖等組成，將地下2～6m范圍的土體設計成4種不同工況，研究不同種水工隧洞上覆地層對地表沉降的影響，模擬工況在洞深位置處圍巖為軟硬層厚度比為1∶2的上軟下硬巖層條件下進行，且所有工況中僅2～6m范圍的上覆地層存在差別，其余條件及參數保持不變，設計上覆地層狀況如表3，不同種水工隧洞上覆地層地表沉降結果如圖5，不同水工隧洞上覆地層沉降槽特征如表4。

表3 上覆地層狀況設計

表4 不同水工隧洞上覆地層地表沉降槽特征

圖5 不同水工隧洞上覆地層地表沉降

分析計算結果可得：黏土-砂土層地表沉降的最大值為10.272mm，全黏土層地表沉降的最大值為10.025mm；砂土-黏土層地表沉降的最大值為9.802mm；全砂土層地表沉降的最大值為9.554mm，每種土層組合之間地表沉降的最大值差距不大，差值為0.718mm，地層損失、地層損失率、沉降槽寬度系數均差距不大，主要原因由于該區段內水工隧洞主要埋藏于地下17.5m左右，埋深較淺，且處于巖層內，且圍巖較為堅硬，而上覆層主要是6m深度范圍以上，因而水工隧洞施工對上覆層擾動較小，即使更換不同種上覆層，地表的沉降差異較小。因而，水工隧洞上覆層不是影響水工隧洞施工過程中地表沉降較為關鍵的因素。

3.3 水工隧洞爆破進尺效應

水工隧洞爆破凈尺直接影響水工隧洞周圍的巖層，因而，地表沉降可能受水工隧洞爆破凈尺的影響，本研究分析上臺階爆破凈尺長度分別為0.5～2.5m范圍的地表沉降，該范圍內等間距取值，間距為0.5m，上臺階爆破凈尺長度及施工步距保持不變，且模擬過程中其余模擬參數及因素均相同。不同上臺階爆破凈尺長度條件下地表沉降結果如圖6，不同上臺階爆破凈尺長度條件下沉降槽特征如表5。

圖6 不同上臺階爆破凈尺長度條件下地表沉降

表5 不同上臺階爆破凈尺長度條件下沉降槽特征

分析計算結果可得：上臺階爆破凈尺長度為0.5m時Smax最小，Smax值為7.186mm，上臺階爆破凈尺長度為2.5m時Smax最大，Smax值為14.510mm，增加7.324，增幅比例為101.92%，但均處于規定允許的范圍內；上臺階爆破凈尺長度為0.5m時i最小，Smax值為7.625m；上臺階爆破凈尺長度為2.5m時Smax最大，Smax值為8.146m，增大幅度較小，說明不同的上臺階爆破凈尺長度對橫向沉降范圍影響較小，主要影響地表沉降最大值。分析其原因，由于上臺階爆破凈尺長度越大，周圍圍巖的應力釋放越集中，因而導致周圍巖體承載力不足，進而影響上覆地層的下沉，最終導致地表產生較大距離的沉降。

4 結語

（1）對比地表沉降監測值和數值模擬分析結果，兩結果變化趨勢與沉降值基本吻合，說明建立的有限元數值分析模型對該地表沉降模擬具有很好的適用性。

（2）地層的總體軟硬越軟，橫斷面上地表沉降最大值越大，地層損失越大，對地表沉降結果越不利。

（3）水工隧洞結構施工對上覆層影響較小，因而水工隧洞上覆地層的差異性對地表沉降影響較小。

（4）上臺階爆破凈尺長度越小，地表沉降作用越小，爆破凈尺長度為0.5m和2.5m狀況下，Smax相差7.324，增幅比例為101.92%，說明上臺階爆破凈尺長度差異性對地表沉降的影響較大。