富水富砂斷層帶隧道施工穩(wěn)定性分析

高雷州

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

隨著全國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)加強(qiáng)，交通設(shè)施的建設(shè)規(guī)模不斷增大，隧道工程項(xiàng)目越來越多，尤其山嶺隧道大量出現(xiàn)。山體地質(zhì)條件復(fù)雜多變，常會遇到大斷層、大涌水，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重、十分破碎等不良地質(zhì)條件。在保證隧道能安全施工的前提下，要考慮不同工法對隧道圍巖擾動變形大小及穩(wěn)定性的影響。就現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)看，不同的施工方法對工程的安全影響程度不同。本文根據(jù)隧道施工方案設(shè)計，開挖方法只考慮全斷面法和上下臺階法［1-2］，同時簡化模型計算過程，高位排水洞和迂回導(dǎo)坑一次賦空，并以臺階法為基礎(chǔ)，模擬不同注漿加固方法和不同開挖進(jìn)尺的效果。針對F4斷層處隧道施工的穩(wěn)定性影響，設(shè)置不同工況進(jìn)行模擬分析比較，優(yōu)化施工方案。本文針對施工偏危險的F4斷層最不利圍巖段（Ⅴ級圍巖），采用新奧法［3］進(jìn)行研究。

2 計算模型及空間效應(yīng)模擬

懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道F4斷層處圍巖強(qiáng)風(fēng)化、破碎、自穩(wěn)性差，且地層富含地下水，故采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。

2.1 圍巖力學(xué)參數(shù)

圍巖物理力學(xué)參數(shù)的取值對于數(shù)值分析結(jié)果影響很大。根據(jù)現(xiàn)場取樣實(shí)測及已有類似地層工程文獻(xiàn)資料，得到具體參數(shù)，見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 FLAC3D空間效應(yīng)模擬

隧道開挖卸荷引起的空間效應(yīng)采用等效開挖面空間效應(yīng)模擬。其方法有多種，主要分為兩大類：應(yīng)力釋放法和剛度折減法［4］。本文采用應(yīng)力釋放法，根據(jù)計算結(jié)果和有關(guān)資料表明，隧道不同位置處，在支護(hù)施作前得到的每步開挖的位移釋放系數(shù)不同；而同一位置處，不同施工方法的釋放系數(shù)也不同。為方便操作，本文統(tǒng)一取每步開挖后釋放系數(shù)為30%。

按空間問題分析，充分考慮隧道開挖過程中的動態(tài)影響，模擬計算中需要考慮開挖進(jìn)尺、臺階長度、掌子面左右錯開間距和初期支護(hù)時間效應(yīng)，模擬開挖、打錨桿和初期鋼拱架噴漿支護(hù)3個過程。二次襯砌作為荷載儲備，開挖時不考慮其支護(hù)作用。

針對不同施工工法，設(shè)置兩種不同工況，采用三維模型，在初始地應(yīng)力平衡后的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)值模擬比較不同工法差異。

2.3 模型建立與邊界條件

根據(jù)地質(zhì)條件和工程條件，以懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道F4斷層處隧道施工為研究對象，取危險地質(zhì)段即可能發(fā)生大變形段建立模型。

（1）建立模型

模型采用笛卡爾坐標(biāo)，其中X方向水平向右，Z方向豎直向上。根據(jù)巖鷹鞍隧道F4斷層處實(shí)際工況建立模型。由于隧道超深埋，最大埋深303 m，因此模型幾何尺寸取拱頂距地表28m，上部施加重力荷載，等效山體埋深；取隧道輪廓至左邊界距離為35m，右側(cè)距高位排水洞水平凈距8.4 m，豎直凈距7 m，距導(dǎo)坑水平凈距28.4 m。其中，導(dǎo)坑到模型右邊界15.3 m，排水洞距模型頂部13.3 m，整個模型高度70 m，縱向長度取50 m，橫向?qū)挾?8 m。模型見圖1。

為了加快模擬計算速度，將模型中迂回導(dǎo)坑和排水洞先全部一次賦空，地層采用Ⅴ級圍巖，為全風(fēng)化破碎帶；然后采用不同的支護(hù)措施、施工工法及開挖進(jìn)尺來研究施工過程對隧道圍巖穩(wěn)定性［5］的影響，確定合適的施工工法。

圖1 計算模型

（2）邊界條件

模型邊界四周采用法向約束，垂直方向頂部為自由面，底部采用固定約束。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)

施工開挖過程中，初期支護(hù)采用鋼拱架和系統(tǒng)錨桿聯(lián)合支護(hù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同注漿加固效果模擬分析

根據(jù)最新的設(shè)計優(yōu)化方案，施工圖設(shè)計F4斷層破碎帶（Ⅴ級圍巖）采用加固圈5 m超前帷幕注漿預(yù)加固；斷層影響帶（Ⅳ級圍巖）采用開挖后5 m徑向注漿加固［6］。

采用上下臺階法對不同注漿方式加固效果進(jìn)行分析。設(shè)置兩種工況：第一種為普通的超前小導(dǎo)管注漿［7］，注漿范圍為隧道洞室周邊5 m；第二種采用超前帷幕注漿預(yù)加固［8］，加固圈5 m。

3.1.1 工況一模擬結(jié)果及分析

（1）隧道開挖后水平位移

臺階法開挖中最大水平位移發(fā)生在隧道的左右拱腰處，均向坑內(nèi)運(yùn)動，左側(cè)最大值達(dá)24.3 cm，右側(cè)最大值達(dá)22.49 cm，洞室周邊位移都相對較大。排水洞和迂回導(dǎo)坑洞室水平變形也都較大（見圖2）。

圖2 臺階法施工水平位移云圖

（2）隧道開挖后豎直位移

在垂直方向，最大沉降發(fā)生在拱頂處，最大值達(dá)31.49 cm，分布在拱頂附近較大區(qū)域，拱底向上隆起，最大值達(dá)15.21 cm。排水洞和迂回導(dǎo)坑豎直變形均相對較大（見圖3）。

圖3 臺階法施工豎直位移云圖

（3）隧道開挖后XZ方向剪應(yīng)力分析

主洞室的最大剪應(yīng)力分布同樣呈現(xiàn)出“四葉草”形狀，主要分布在左右拱腳和拱肩處，最大值為8.29 MPa，同時在左拱肩和右拱腳處分布區(qū)域較大，可以看出沿左拱腳和右拱肩的連線向排水洞有貫通的趨勢，且排水洞左拱腳處最大剪應(yīng)力分布集中，變形較大。故施工過程中應(yīng)加強(qiáng)主隧道洞室拱肩及拱腳處的位移監(jiān)測并及時采取措施，保證施工順利進(jìn)行。同時排水洞也應(yīng)加強(qiáng)左拱腳處支護(hù)措施，防止因變形過大引起洞室周邊圍巖發(fā)生破壞（見圖4）。

3.1.2 工況二模擬結(jié)果及分析

（1）水平位移分析

臺階法開挖中最大水平位移發(fā)生在隧道的左右拱腰處，均向坑內(nèi)運(yùn)動，左側(cè)最大值達(dá)11.12 cm，右側(cè)最大值達(dá)9.64 cm，洞室周邊位移均較小。排水洞和先行導(dǎo)洞水平變形均在安全范圍內(nèi)。

（2）豎直位移分析

在垂直方向，最大沉降發(fā)生在拱頂處，最大值達(dá)18.08 cm，分布在拱頂附近較大區(qū)域，拱底向上隆起，最大值達(dá)8.82 cm。排水洞和先行導(dǎo)洞豎直變形均在5 cm左右，偏于安全。

3.2 不同施工工法模擬結(jié)果分析

采用全斷面法進(jìn)行理論分析，與上述工況二中的臺階法對比，比較帷幕注漿預(yù)加固［9］下的不同工法對隧道洞室圍巖的穩(wěn)定性及變形大小的影響［10］。

（1）水平位移分析：全斷面法開挖過程，最大水平位移發(fā)生在左右拱腰處，左側(cè)向右位移最大值為13.71 cm，右側(cè)向左最大位移為12.51 cm。

（2）豎直位移分析：最大豎向位移發(fā)生在拱頂區(qū)域，沉降最大值達(dá)22.68 cm，而拱底向上隆起9.03 cm。

3.3 不同施工進(jìn)尺模擬結(jié)果分析

以臺階法［11］為研究對象，設(shè)置3種不同施工進(jìn)尺工況研究分析。第一種：上述3.1中的工況二，施工進(jìn)尺為1 m；第二種和第三種工況：施工進(jìn)尺分別取2 m和3 m，下臺階長度均取8 m，其他條件與第一種工況相同。

（1）工況二，施工進(jìn)尺2 m。

①水平位移分析

從圖5可以看出，臺階法開挖中最大水平位移發(fā)生在隧道的左右拱腰處，均向坑內(nèi)運(yùn)動，左側(cè)最大值達(dá)12.41 cm，右側(cè)最大值達(dá)10.74 cm，洞室周邊位移均較小。排水洞和先行導(dǎo)洞水平變形均在安全范圍內(nèi)。

圖5 臺階法水平位移云圖（施工進(jìn)尺2 m）

②豎直位移分析

從圖6可以看出，在垂直方向，最大沉降發(fā)生在拱頂處，最大值達(dá)19.76 cm，分布在拱頂附近較大區(qū)域，拱底向上隆起，最大值達(dá)9.35 cm。排水洞和先行導(dǎo)洞豎直變形相對均較小，偏于安全。

圖6 臺階法豎直位移云圖（施工進(jìn)尺2 m）

（2）工況三，施工進(jìn)尺3 m。

①水平位移分析

從圖7可以看出，臺階法開挖中最大水平位移發(fā)生在隧道的左右拱腰處，均向坑內(nèi)運(yùn)動，左側(cè)最大值達(dá)13.2 cm，右側(cè)最大值達(dá)11.41 cm，洞室周邊位移均較小。排水洞和迂回導(dǎo)坑水平變形也均在安全范圍內(nèi)［12］。

圖7 臺階法水平位移云圖（施工進(jìn)尺3 m）

②豎直位移分析

從圖8可以得知，在垂直方向，最大沉降發(fā)生在拱頂處，最大值達(dá)20.72 cm，分布在拱頂附近較大區(qū)域，拱底向上隆起，最大值達(dá)9.42 cm。排水洞和迂回導(dǎo)坑豎直變形均相對較小，偏于安全。

圖8 臺階法豎直位移云圖（施工進(jìn)尺3 m）

4 結(jié)論

（1）兩種注漿預(yù)加固方法效果評價。水平位移分析：工況一跟工況二整體變形規(guī)律相同，但最大值分別為24.3 cm、11.12 cm，相比減小了54.2%。豎直位移分析：工況一中拱頂最大沉降為31.49 cm，拱底最大隆起值為15.21 cm；工況二中拱頂最大沉降值為18.08 cm，拱底隆起值為8.82 cm，相比較拱頂沉降減小了42.6%，拱底隆起減小了42%。最大剪應(yīng)力分析：兩種工況的最大剪應(yīng)力分布規(guī)律大致相同，工況一中的最大剪應(yīng)力為8.29 MPa，工況二中的最大剪應(yīng)力為8.68 MPa，相比較增大了0.39 MPa。表明采用迂回導(dǎo)坑進(jìn)行帷幕注漿預(yù)加固效果明顯，施工過程中洞室圍巖變形及應(yīng)力分布得到了有效控制。

（2）不同工法施工效果分析。兩種工況中變形規(guī)律基本類似，其中全斷面施工水平最大位移13.71 cm，拱頂沉降最大值為22.68 cm，而拱底向上隆起最大值達(dá)9.03 cm。相比較臺階法，水平位移最大值11.12 cm，沉降和隆起的最大值分別為18.08 cm、8.82 cm，即水平位移減小了2.59 cm，沉降值減小了4.6 cm，隆起值減小了0.21 cm。雖然變形增幅除沉降值稍微偏大，其他增幅均較小，但是仍可以看出采用臺階法開挖，減小每次開挖掌子面的面積，也可有效控制洞室圍巖變形。

（3）不同施工進(jìn)尺效果分析。水平位移分析：工況一～三中最大水平位移分別為11.12 cm、12.41 cm，13.2 cm；拱頂最大沉降依次為18.08 cm、19.76 cm、20.72 cm；拱底最大隆起值依次為8.82 cm、9.35 cm、9.42 cm。水平位移、沉降位移、隆起位移的增幅依次為1.29 cm、0.79 cm、1.68 cm、0.96 cm、0.53 cm、0.07 cm?？梢婋S著施工進(jìn)尺的增大，其變形呈現(xiàn)依次遞增的規(guī)律，并且增幅速度下降很快，施工進(jìn)尺超過2 m后對洞室圍巖變形的影響效果不敏感，只在一定范圍內(nèi)存在較大影響。同時，最大剪應(yīng)力依次為 8.68 MPa、8.39 MPa、8.53 MPa，不同進(jìn)尺下洞室圍巖應(yīng)力分布變化不大。

總之，采用迂回導(dǎo)坑進(jìn)行注漿帷幕預(yù)加固、采用合適的掌子面開挖及施工進(jìn)尺確實(shí)能有效控制施工過程中圍巖的變形及應(yīng)力分布，能確保隧道施工開挖的安全。