45°斜井反井法開挖圍巖穩(wěn)定性分析

張 龍， 張學彬， 王 峻

(中國水利水電第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

1 工程地質(zhì)條件

猴子巖水電站出線洞斜井段長185.1 m，傾角45 °，采取反井法開挖，開挖及襯砌斷面均為城門洞型。洞身段圍巖為泥盆系下統(tǒng)(D11)第④層薄層狀結(jié)構(gòu)為主變質(zhì)灰?guī)r，巖石較堅硬，弱卸荷、弱下風化帶，巖層產(chǎn)狀為N50 °～70 °E/NW∠40 °～60 °，圍巖類別以Ⅲ2類為主，少量Ⅳ類，成洞條件較好。該洞段內(nèi)發(fā)育有g(shù)1、g2層間擠壓破碎帶，帶寬1～5 m，主要為水平劈理密集發(fā)育的片巖組成，延伸均大于300 m。裂隙主要發(fā)育J1(層面裂隙)：N50 °～70 °E/NW∠40 °～60 °；J2：N10 °～30 °E/SE∠30 °～50 °；J3：N10 °～40 °W/NE∠50 °～80 °；J4：EW/S∠30 °～50 °；J5：EW/S(N)∠75 °～80 °。J1層面裂隙最發(fā)育，次為J2～J5，裂面多起伏粗糙，以剛性結(jié)構(gòu)面為主，少量巖塊巖屑型結(jié)構(gòu)面。

其中J1層面裂隙發(fā)育，并與洞向小角度相交，在斜井開挖期，對邊墻穩(wěn)定極為不利，因此，能否正確分析出在這一不利影響下的斜井開挖圍巖的穩(wěn)定性，成為隧洞施工安全順利進行的一大關(guān)鍵。

2 計算模型

針對斜井段的45 °城門洞型隧道開挖，結(jié)合其特殊的工程地質(zhì)條件，考慮右邊墻的發(fā)育層面裂隙，采用摩爾—庫倫屈服準則。

2.1 計算基本假設(shè)

(1)巖體為理想彈塑性介質(zhì)，均質(zhì)、連續(xù)、各向同性。

(2)不考慮巖體變形的時間效應和地下水影響。

(3)將隧道及圍巖的受力和變形作為平面應變問題分析。

(4)地層和材料的應力-應變均在彈塑性范圍內(nèi)變化，地應力場由重力自動生成。

(5)不考慮施工開挖時爆破對圍巖的損傷和震動影響。

2.2 力學參數(shù)

計算中圍巖的物理力學參數(shù)的取值對于數(shù)值分析結(jié)果影響很大，根據(jù)現(xiàn)場的取樣實測及已有類似地層工程文獻資料的參考數(shù)據(jù)，可以得到具體參數(shù)如表1、表2。

表1 計算模型中材料參數(shù)

表2 計算模型中支護參數(shù)

2.3 FLAC3D空間效應模擬

由于隧道施工過程中施工的擾動作用，在掌子面前方一定距離處巖土體首先會產(chǎn)生隆起。隨著掌子面的不斷臨近，該出位移在距掌子面一定距離處與原地平線相交而后迅速沉降。因此圍巖的位移變形并不是在掌子面經(jīng)過時立即全部產(chǎn)生的，其前后圍巖的開挖擾動都會使其產(chǎn)生變形。當掌子面經(jīng)過該處后，距離掌子面越遠圍巖的位移值就越大，當然是在一定距離內(nèi)，當其距掌子面超過該距離后，位移達到最大值而逐漸趨于穩(wěn)定，幾乎不再變化；在隧道力學中特征曲線法知，襯砌支護開始作用的時間不同，支護與圍巖最后達到平衡狀態(tài)時所產(chǎn)生的位移也就不盡相同，因此存在著最優(yōu)支護時機。當用數(shù)值模擬方法模擬隧道施工過程中開挖卸荷引起的空間效應時，采用等效開挖面空間效應模擬，其方法有多種，主要分為兩大類：應力釋放法和剛度折減法。本文采用應力釋放法，根據(jù)計算結(jié)果和有關(guān)資料表明，隧道不同位置處，在支護施作前得到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尺、臺階長度、掌子面左右錯開間距和初期支護時間效應。筆者采用FLAC3D內(nèi)置的FISH語句編寫了3個主要的函數(shù)，即excavate、cable_apply和shell_apply，分別用以模擬開挖、打錨桿和初期鋼拱架噴漿支護三個過程。二次襯砌作為荷載儲備，因此開挖時不考慮其支護作用。

在計算中編寫了主循環(huán)命令流，每一循環(huán)步包括主要工作有：開挖、打錨桿、初支護、顯式求解。其中顯式求解是FLAC3D有限差分軟件的重要特點之一，它是利用計算步數(shù)作為求解過程結(jié)束的唯一準則，而不是以模型最終達到穩(wěn)定的收斂狀態(tài)作為求解的結(jié)束條件，故顯式求解的結(jié)果通常并非最終收斂狀態(tài)，而這與動態(tài)施工過程更為接近。

對于每個循環(huán)開挖求解步數(shù)的確定，筆者根據(jù)大量的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)一次開挖貫通求解至穩(wěn)定大致需要11 000步，而通常認為掌子面后方3D范圍左右即掌子面超前某點處21 m時，該附近處的圍巖己基本達到穩(wěn)定，從該處開始挖到其達到穩(wěn)定需要21/3=7個循環(huán)進尺，故每一循環(huán)開挖步求解步數(shù)可設(shè)置為1 500步。從初始地應力狀態(tài)開始開挖后，釋放圍巖應力30 %，然后鋼拱架、噴錨支護，故每個循環(huán)開挖步設(shè)置450步，即開挖后計算450步再施作支護、再開挖至求解穩(wěn)定，來模擬施工動態(tài)過程中空間效應。

3 計算模型與邊界條件

建立模型首先慮模型幾何條件與實際情況相接近的同時，也要考慮計算機實現(xiàn)的可能性，滿足影響研究對象的主要因素條件，忽略次要因素而簡化模型方便操作計算。

斜井段隧道平縱面參數(shù)如表3。以猴子巖斜井段城門洞型隧道為研究對象，取最發(fā)育的層面裂隙J1，建立模型模擬其對洞室開挖的過程中位移變形進行分析。

表3 隧道平縱面參數(shù)

3.1 建立模型

模型采用笛卡爾坐標，其中X方向水平向右，Z方向豎直向上。根據(jù)猴子巖斜井段隧道實際工況建立模型，由于隧道超深埋，最大埋深470 m，整個斜井段埋深60～470 m。從彈性力學角度考慮，該模型屬于平面應變問題，縱向取39 m消去邊界約束條件影響，因此模型幾何尺寸取隧道輪廓至邊界面距離為20 m，同時整個模型高度90 m，縱向長度取39 m，橫向?qū)挾?0 m。取正面的隧道的拱頂距地表埋深63 m，上部施加重力荷載，等效山體埋深，城門洞型隧道外輪郭標準開挖斷面尺寸6.72 m×6.78 m(寬×高)，隧道軸線在垂直平面與水平面呈45 °方向，開挖計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

參考已有研究成果表明，在數(shù)值模擬中隧道邊界到模型邊界延伸范圍滿足2～3洞徑距離時邊界效應很小，可以忽略不計，這里模型滿足要求，同時有一定富余，而盡可能消除邊界效應。由于隧道邊墻處存在一系列層面裂隙，其中最發(fā)育的層面裂隙J1與洞室右邊墻呈小角度相交，對邊墻穩(wěn)定不利。本模型中在group1和group2間設(shè)置接觸界面模擬該節(jié)理，與右邊墻呈9 °相交，因此，為了加快模擬計算速度，保證主要影響因素與實際相接近，對實際工況進行了簡化，研究分析洞室開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性及變形規(guī)律。

3.2 邊界條件

模型邊界四周采用法向約束，鉛垂方向頂部為自由面，在頂部施加等效的土體重力，底部采用固定約束。

3.3 支護結(jié)構(gòu)

施工開挖過程中，初期支護和錨桿支護如圖2所示。

圖2 初期支護結(jié)構(gòu)

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

取斜井段45 °隧道為研究對象，考慮最發(fā)育的層面裂隙影響，采用全斷面爆破開挖，掘進循環(huán)進尺設(shè)計為3 m，對施工過程采用新奧法施工原理模擬，給予一定的時間步計算，充分發(fā)揮圍壓自穩(wěn)能力。

4.1 水平位移分析

斜井貫通后圍巖的水平位移如圖3所示。

圖3 水平位移云

由上圖3可知，最大水平位移的發(fā)生出現(xiàn)在左右邊墻處，其中左側(cè)最大水平位移為4.39 mm，右側(cè)最大值為5.37 mm，右側(cè)相比左側(cè)最大值增大了22.3 %，說明右側(cè)與隧道軸向小角度相交的層面裂隙對圍巖變形惡化有較大影響，但位移值都還是偏于安全，施工能夠滿足洞室的穩(wěn)定要求。

4.2 豎直位移分析

斜井貫通后洞室圍巖的豎直位移如圖4所示。

圖4 豎直位移云

由圖4知，豎向最大位移發(fā)生在圓拱和底板處，其中拱頂處沉降最大，其值為1.90 cm，底板向上隆起最大值達2.04 cm，故在施工時應注意底板的隆起變形監(jiān)測，加強底板強度，減小其隆起變形。

4.3 XZ方向剪應力

根據(jù)上述模型建立分析，本模型計算分析屬于平面應變問題，采用平面剪應力研究，取XZ方向剪應力為對象進行分析，斜井貫通后，其剪應力云如圖5所示。

圖5 XZ方向剪應力移云

由上圖5可知，最大剪應力主要集中在洞室的左右拱肩處，其中左右拱肩處最大剪應力分別為3.04 MPa和3.11 MPa，即右側(cè)大于左側(cè)。同時，洞室左拱腳往下一部分區(qū)域有較大剪應力集中，一直延伸向邊界，但沒有形成貫通面，故隧道也是偏于安全的。

4.4 XZ方向的剪應變增量

同樣，也取XZ方向剪應變增量分析(圖6)。

圖6 XZ方向剪應變增量云

由圖6可知，剪應變增量與剪應力分布規(guī)律相對應，呈現(xiàn)出“四葉草”形狀，在左右拱肩及底板的左右拱腳處集中，右側(cè)均大于左側(cè)，也說明了層面裂隙弱化了洞室右側(cè)圍巖，但整體都處于安全范圍內(nèi)。

4.5 初期支護的位移

隧道施工貫通后，其初期支護的水平位移和豎直位移分別如圖7、圖8所示。

圖7 初支水平位移云

圖8 初支豎直位移云

可以看出，支護結(jié)構(gòu)位移都是向洞室內(nèi)部運動，水平最大位移值發(fā)生在左右邊墻處，其值分別為3.78 cm和4.85 cm，相比增大了28.3 %。豎直位移最大變形同洞室圍巖一樣，發(fā)生在拱頂及底板處，其中拱頂沉降值達1.10 cm，底板隆起值達1.35 cm。

5 小結(jié)

(1)通過數(shù)值模擬計算結(jié)果分析，右側(cè)位移較左側(cè)增大了22.3 %，而初期支護的右側(cè)較左側(cè)增大了28.3 %，二者相互印證，可見右側(cè)與隧道軸向小角度相交的層面裂隙對圍巖變形惡化有較大影響。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果可以預測到底板可能會有較大隆起，應注意加強底板強度，控制隆起位移值，拱頂及拱肩處有不同程度的沉降，剪應力也在拱肩和拱腳處集中分布，施工時對這些地方應加強監(jiān)測，密切關(guān)注，保證圍巖的穩(wěn)定及變形控制，確保施工安全順利進行。

(3)雖然層面裂隙弱化了洞室右側(cè)圍巖，但從模擬結(jié)果來看，硐室位移值都在允許值內(nèi)，還是偏于安全的，既有施工及支護設(shè)計能夠滿足洞室的穩(wěn)定要求。