地下洞庫巷道開挖引起的圍巖變形特征

李勝杰，李 兵，華永杰，于寧寧

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

地下洞庫的施工主要包括巷道、洞室開挖和支護，而巷道的施工是整個洞庫建造的第一步，關(guān)系著施工的安全，也和主洞室的開挖使用有著不可分割的聯(lián)系。開挖過程中巷道圍巖的變形規(guī)律對地下洞庫的施工和使用都有重要影響，因此要對巷道圍巖進行實時的監(jiān)控量測并對數(shù)據(jù)及時的分析處理。但由于監(jiān)控技術(shù)的不足和監(jiān)測中人為因素的影響，通常還結(jié)合數(shù)值模擬的方法共同研究圍巖的變形規(guī)律。華薇［1］利用有限元程序ABAQUS建立隧道及其圍巖的平面應(yīng)變有限元模型。模擬實際開挖過程，確定不同開挖方式下以及不同圍巖分級條件下的圍巖的應(yīng)力、位移分布、變化特征。喻偉［2］利用MIDAS建立了數(shù)值分析模型并結(jié)合監(jiān)控量測分析研究了石塘隧道的周邊收斂和拱頂下沉等規(guī)律。胡晉川［3］以某高速黃土連拱隧道為研究對象，對現(xiàn)場的地表沉降，周邊收斂，拱頂下沉做了監(jiān)控量測，以及應(yīng)用有限元軟件進行了分析，最終得到了該工程的圍巖變形規(guī)律。夏峰［4］利用FLAC3D 建立數(shù)值模型，通過調(diào)整不同的內(nèi)摩擦角，確定了內(nèi)摩擦角與圍巖松動圈的關(guān)系。張琨［5］通過監(jiān)控量測總結(jié)了軟巖的巷道圍巖開挖的變形規(guī)律及用FLAC3D 預(yù)測了巷道支護前與支護后的圍巖塑性區(qū)變化。

但上述研究在巖體本構(gòu)關(guān)系的選擇上可能不夠準確，例如摩爾庫倫準則無法動態(tài)地反映巖體破壞時的力學(xué)行為，在工程模擬中存在一定的局限性。而根據(jù)大量巖石力學(xué)試驗證明，霍克布朗強度準則能夠較為準確地反映出內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的動態(tài)變化。因此本文主要應(yīng)用FLAC3D 數(shù)值分析軟件，巖體本構(gòu)關(guān)系采用霍克布朗強度準則，來模擬煙臺萬華洞庫巷道的開挖支護過程，并將模擬計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，分析圍巖的變形規(guī)律，同時也用來驗證模型的可靠性。

1 工程地質(zhì)資料

本巷道斷面為直墻拱形，寬8 m，高9 m，上半圓半徑為4m。圖1和圖2為巷道的開挖斷面和測點布置圖。

圖1 巷道的開挖斷面圖

圖2 圍巖周邊收斂和拱頂下沉測線布置圖

工程建設(shè)場地內(nèi)的地層巖性可分為3大類：

（1）第四系沖洪積層、殘坡積層

沖洪積層主要分布于庫址區(qū)北部沖溝處，主要為中細砂、粉質(zhì)粘土等，顏色一般為灰黃、褐黃或褐色，厚度一般2.0～3.0m。殘坡積層在庫址區(qū)大部分地段有分布，挖方區(qū)該層一般被挖除，庫址區(qū)東南部、南部該層厚度相對較大，一般厚2.0～8.0m，最大厚度12.0m，主要為殘積砂質(zhì)粘性土，顏色一般為黃褐、灰白或灰黃色。場地整平過程，在庫址區(qū)北部和中部產(chǎn)生大面積的近期人工填土，結(jié)構(gòu)松散，未經(jīng)分層碾壓。

（2）燕山一期含中粗粒黑云母二長花崗巖

黑云母二長花崗巖是擬建洞庫的主要巖體，灰～灰白色，主要礦物為斜長石、鉀長石、石英、角閃石、黑云母等，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙一般不發(fā)育～稍發(fā)育，巖體較完整～完整，局部存在節(jié)理裂隙密集帶，質(zhì)地致密堅硬，為堅硬巖。巖體強風(fēng)化帶厚度一般15.0～35.0 m，層底標高一般－10.0～10.0m。場地東部部分巖體碳酸鹽化、糜棱巖化，強度有所降低，東北部局部暗色礦物定向排列，巖體基本質(zhì)量等級Ⅱ～III級。

（3）巖脈

庫址區(qū)巖脈較發(fā)育，燕山期花崗斑巖脈、煌斑巖脈、閃長玢巖脈、構(gòu)造片巖脈、細?；◢弾r脈、玄武質(zhì)玢巖脈等各種巖脈穿插或零星分布在燕山早期黑云母二長花崗巖巖體中。根據(jù)目前勘察成果，脈巖產(chǎn)出受構(gòu)造控制明顯，均呈較規(guī)則脈狀產(chǎn)出，其延展方向與構(gòu)造基本一致。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的對比

本文采用FLAC3D 中的霍克布朗破壞模型，將模擬結(jié)果與實測結(jié)果從拱頂下沉、圍巖收斂、圍巖內(nèi)部位移三個方面進行對比，分析圍巖的變形規(guī)律并驗證模型的正確性。

監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在著差異，這是因為：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)是在開挖支護完成布設(shè)了監(jiān)測點后才進行的，而模擬是從開始到結(jié)束每個時刻都在記錄著數(shù)據(jù)的變化。（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)是人為的成果，存在著誤差和人為因素。（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)是真實存在的，相對而言數(shù)值模擬考慮的因素偏少，其只能做為一個參考。（4）監(jiān)測的數(shù)據(jù)是從記錄到某個時間段的，而模擬是在限定的條件下計算得到的最終結(jié)果。

2.1 拱頂下沉

圖3 實測1－3 和1－5高差變化

圖4 數(shù)值模擬的拱頂豎向位移

由圖3可知，巷道拱頂在1到4天下沉量很小，在5到8天的變化比較大，這是因為1到4天，在監(jiān)測之前圍巖剛形成自然平衡拱，相對穩(wěn)定拱頂?shù)南鲁亮亢苄　?到8天中，下沉量明顯變大，這是因為后續(xù)開挖施工對拱頂?shù)某两涤绊懕容^大，可以看出在隨著開挖掌子面距監(jiān)測面距變大，其影響程度在變小。由圖4可以看到的沉降量一直在增加，每步開挖都會引起沉降的變化，變化的速率隨著掌子面的推進逐漸變小，最終的沉降在2.5mm 左右。

綜上所述，數(shù)值模擬與監(jiān)測的數(shù)據(jù)有所偏差，但兩者變化趨勢是一致的，都表明開挖的過程對拱頂沉降影響比較大，開挖初期沉降較大。在施工中應(yīng)根據(jù)這一變化規(guī)律選擇合適的支護時間。

2.2 圍巖收斂

圖5為2－4和3－5的收斂值，從圖可知收斂值是負的，說明邊墻受到擠壓向兩側(cè)移動。在邊墻上，距離巷道底部較遠的圍巖的水平向位移比接近巷道底部的圍巖的大。由圖6可知，邊墻的上半部分向外側(cè)有位移，下半部分的位移較小。拱形部分是向內(nèi)收斂的，邊墻最大值在0.5mm 左右，兩邊墻距離變化在在1 mm 左右。圖7為FLAC3D 輸出的模型Z方向的位移分布圖，由圖可知豎向位移發(fā)生在拱頂和巷道的底部。綜上所綜述，圍巖的收斂在邊墻的上部位移較大，巷道的底部有較小位移。 給合收斂的規(guī)律，可以選擇恰當?shù)氖┕し桨浮?/p>

圖5 實測2－4和3－5的收斂值

圖6 模型水平方向的位移分布云圖

圖7 模型豎直方向的位移分布云圖

圖8 A 位置實測的位移

圖9 A 位置模擬的圍巖位移

2.3 圍巖內(nèi)部位移

由圖8可以得知在A 位置的各點位移的變化情況：（1）距離邊墻0.5 m 位置處的圍巖的位移很小，最初的變形在位移計安裝完之前已經(jīng)完成，這說明了邊墻的下半部分距離邊墻較近的地方，變形很小，到58天的時候突然變大，推測是因為巷道中的人為因素造成的。（2）距離1.5m 的位置的位移一直是很穩(wěn)定的，初期的變形已經(jīng)完成，此處受到外界的影響比較小，因為距巷道的臨空面有一定的距離，不容易受擾動。（3）距離邊墻3.5m 處的位移的變化是最大的，位移主要是發(fā)生在開挖結(jié)束的一段時間內(nèi)的，位移的變化是連續(xù)且緩慢的，是一種塑性圈內(nèi)的變形，其受后期開挖的影響較大。（4）距離邊墻為8.0m 處的位移變化很小，這是因為距離開挖面太遠的原因，圍巖的開挖幾乎沒有影響，屬于比較穩(wěn)定的區(qū)域。圖9是根據(jù)數(shù)值模擬得到的結(jié)果，負值說明沿著X 的負方向有位移。由圖可得各測點的變化趨勢幾乎一致。對比可知，圍巖內(nèi)受擾動最遠的位置為距邊墻3.5m 左右的位置。距邊墻0.5m的位置設(shè)在了襯砌的位置，位移不大。距邊墻8.0m的位置，位移最大0.27mm，影響程度很小。

綜上所述，通過對比實測和模擬的結(jié)果可以得到圍巖的內(nèi)部位移的變形規(guī)律，距離臨空面越近受到的影響越大，開挖后距離臨空面在0～1.5 m 左右的圍巖在短時間內(nèi)完成了位移，在3.5m 左右的圍巖隨著時間而緩慢變化，且變化的速率受施工的影響不是很大。

3 結(jié)論

（1）開挖的過程對拱頂沉降影響比較大，開挖初期沉降較大。在施工中應(yīng)根據(jù)這一變化規(guī)律選擇合適的支護時間。

（2）圍巖的收斂在邊墻的上部位移較大，巷道的底部有較小位移。

（3）圍巖內(nèi)部位移的變形距離臨空面越近受到的影響越大，開挖后距離臨空面在0～1.5 m 左右的圍巖在短時間內(nèi)完成了位移，在3.5m 左右的圍巖是隨著時間而緩慢變化，且變化的速率受施工的影響不是很大。

［1］ 廖軍，楊萬霞.公路隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010，（11）：165－168.

［2］ 喻偉.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測的隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］.中國科技信息，2011，（20）：66－67.

［3］ 胡晉川，謝永利.黃土連拱公路隧道圍巖變形監(jiān)測和數(shù)值分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2010，34（1）：101－105.

［4］ 孫有為，薄景山.地下洞室松動圈的研究方法與現(xiàn)狀［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2009，11（2）：13－17.

［5］ 宗義江，韓立軍.極破碎軟巖巷道失穩(wěn)機理與動態(tài)迭加耦合支護技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2013，30（3）：355－362.