巖溶區域深埋隧洞施工開挖圍巖穩定分析

黃宇強，傅興安，龔仁煌

(1.深圳市水務工程質量安全監督站，廣東 深圳 518000； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；3.武漢大學水資源工程與調度全國重點實驗室，湖北 武漢 430072)

1 工程背景

1.1 工程概況

公明水庫—清林徑水庫連通工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內配套項目之一，是深圳市骨干水網重要組成部分。該連通隧洞途經神仙嶺段，該隧洞段巖溶地質發育，其圍巖穩定等問題突出[1]。其中，隧洞樁號GK31+810.43斷面埋深約95 m，下穿神仙嶺水庫庫尾，位于細砂巖、石英砂巖、白云質灰巖不整合接觸帶內，溶洞大規模發育，主要填充物質為碎塊石土，洞段采用懸臂式掘進機開挖，開挖尺寸為7.0 m×6.9 m(寬×高)。

1.2 支護設計

由于隧洞直接穿過巖溶發育區，隧洞開挖圍巖穩定性問題十分突出，其預加固措施及支護對圍巖穩定十分重要。該斷面地層預處理措施包括地表灌漿、全斷面超前注漿(注漿深度6.0 m)、超前管棚支護等措施[2]。具體設計支護包括：中空注漿錨桿(S28/5.5，間距1.0 m×1.0 m，L=4.5 m)、鋼拱架(I20a，榀距0.5m)、噴層(上部噴30 cm厚C25混凝土，底部20 cm厚C25墊層混凝土)、自密實混凝土(60 cm厚C30混凝土)、鋼襯(厚度24 mm)，施作襯砌后洞徑為5.2 m，各支護結構材料力學參數如表1所示。

表1 各支護結構材料力學參數

2 隧洞斷面有限元模型

根據工程資料建立斷面有限元數值模型如圖1所示，各地層的材料參數詳見表2。整體模型縱向長度取1m(1倍錨桿間距)，為減弱模型邊界效應的影響，模型左、右側邊界及模型底部與隧洞中心距離為50 m(約7倍開挖洞徑D)，頂部邊界模擬至地表。整個地層模型均采用C3D8R單元模擬，采用摩爾庫倫本構，共61 752個單元。除了頂部邊界為自由面外，模型其余各個邊界均施加法向約束[3]。各支護結構均采用線彈性模型模擬，其中鋼拱架采用梁單元模擬，緊貼圍巖內壁，錨桿采用桿單元模擬并埋入圍巖中。圍巖與噴層、噴層與自密實混凝土襯砌、自密實混凝土襯砌與鋼襯之間均采用綁定約束。

表2 地層材料參數

斷面采用地表灌漿及全斷面超前注漿等圍巖預加固措施，在有限元數值模型中采用等代層替代，通過提高原始地層力學參數以模擬灌漿效果，其中④地層巖石力學性能較好，計算時不考慮其灌漿后的材料參數提升，各灌漿區參數也在表2中給出[4]。

計算時首先構建初始地應力場，提高灌漿區材料力學參數，然后根據約束收斂法對隧洞開挖進行模擬，考慮斷面開挖時圍巖荷載已釋放70%，此時施作初期支護(鋼拱架、錨桿及噴層)，待圍巖荷載完全釋放后施作鋼襯及回填自密實混凝土[5-8]。

3 計算結果分析

3.1 圍巖變形

計算所得斷面圍巖位移場如圖2所示。根據計算結果，斷面圍巖整體變形主要以豎直向變形為主，較大的變形主要集中在開挖隧洞拱頂及右側區域。由于地層的不均勻分布，開挖后右側較軟弱土體受開挖擾動較大，隧洞右側圍巖存在較大的變形，特別是在右側拱頂附近區域變形顯著，最大變形達到4.51 cm；隧洞左側巖體性質較好，但存在部分區域為未加強土體，存在一定的圍巖變形。觀察此時的地表沉降情況，隧洞正上方及右側地表區域沉降較為明顯，最大地表沉降量達1.79 cm，根據圖2(b)所給特征點提取圍巖變形量列于表3中。

圖2 圍巖變形及特征點分布

表3 洞壁及地表變形特征點位移 cm

由表3可知，開挖區附近圍巖主要向隧洞開挖臨空面變形，隧洞右側區域有較大變形，其中洞壁最大變形出現在D7測點，最大變形量為4.23 cm。洞壁整體圍巖變形量均在可控制范圍內，說明在設計方案采用的地層預加固與支護措施作用下，圍巖穩定性有所保障。

3.2 圍巖塑性區分布

圍巖塑性區分布如圖3所示。由圖可知，地層整體塑性區廣泛分布在未灌漿的軟弱土層，同時物理力學性質相差較大的巖層分界面上軟弱土體存在較大塑性變形。在全斷面超前注漿區域范圍內，隧洞塑性區主要分布隧洞左右側及隧洞右側拱腳底部。隧洞周圍施作的錨桿基本可以錨固兩側圍巖塑性區，而隧洞右側拱腳底部塑性區基本貫穿全斷面注漿圈，同時存在較大的塑性變形，為減小底部塑性區及塑性變形，可考慮局部加強隧洞右側底部預支護強度，保證超前灌漿的質量，為隧洞右側底部提供足夠的支撐強度。

圖3 圍巖塑性區分布

3.3 錨桿及鋼拱架應力分布

計算所得錨桿的Mises應力分布見圖4(a)。由圖可知，較大應力主要集中在隧洞兩側區域的錨桿，左側錨桿由于位于強弱巖體的分界處，存在一定的應力集中，其最大Mises應力為174.5 Pa。錨桿整體應力低于錨桿鋼材屈服強度，處于正常彈性工作范圍內。

圖4 錨桿及鋼拱架Mises應力分布(單位：Pa)

鋼拱架的Mises應力分布如圖4(b)所示。由圖可知，鋼拱架在隧洞右側拱腳處有較大的應力集中，最大Mises應力為201.6 Pa，除右側拱腳局部區域外，其他部位整體應力水平基本低于190 Pa。右側拱腳處的局部應力較高主要原因為右側洞底塑性變形較大，洞底存在不均勻變形導致的，為了減小局部的應力集中，可以考慮加強隧洞右側底部預支護強度，保證右側拱腳處的超前灌漿質量，減小右側洞底的塑性變形，從而減小鋼拱架局部較大應力。

3.4 噴層混凝土應力分布

計算所得噴層混凝土應力分布如圖5所示。由圖可知，噴層整體以受壓為主，左側拱頂處壓應力較大，右側拱腳處存在局部壓應力集中，最大壓應力略超出噴層混凝土設計抗壓強度，整體壓應力基本在噴層混凝土設計抗壓強度內；同時噴層整體拉應力均小于混凝土設計抗拉強度，在噴層右側存在局部較大拉應力1.22 Pa，基本可以認為噴層混凝土結構不會發生嚴重破壞。

圖5 噴層混凝土應力分布(單位：Pa)

3.5 地表灌漿效果討論

考慮到地表灌漿效果不夠穩定，對有無地表灌漿的開挖方案進行對比，提取其特征結果如表4所示。由表中計算結果可知，相比于無地表灌漿方案，當考慮地表灌漿效果后，圍巖變形及塑性區分布區域、地表沉降量均有所減小，同時支護結構應力也略有減小。可以看出，圍巖預支護措施以全斷面超前注漿配合管棚支護為主，地表灌漿也能提高圍巖穩定性，但其效果有限。

表4 有無地表灌漿方案下隧洞開挖特征結果

此外，地表灌漿能緩解隧洞右側地表支護結構的局部應力集中。其原因在于圍巖地層分布不均勻，開挖隧洞左側為巖性較好的灰巖，而隧洞開挖斷面整體基本處于碎石塊土中，地表灌漿能提升隧洞底部巖石力學性能，能使隧洞底部的承載能力提升，同時改善隧洞右側底部的不均勻變形，緩解該處支護結構的應力集中。

4 結 論

(1)所選工程圍巖穩定及支護結構安全有所保證，設計中采用的圍巖預加固措施及支護措施是有效的。

(2)對于地層不均勻分布的復雜地層隧洞開挖，應采用合理的預加固措施，在地層軟弱區域可考慮局部增強灌漿深度以提高圍巖穩定性。

(3)對于開挖隧洞下方存在軟弱土體與較好巖體交界的情況，應保證地表灌漿，全斷面注漿等預加固措施的質量，必要時提高灌漿深度，保證隧洞底部的承載力，減小開挖斷面不均勻變形，從而減小支護結構的應力集中。