斜井盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)富水圍巖變形特性模擬分析

馬君偉，王賢能，林明博

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518026)

在煤礦斜井施工過程中，常常遭遇富水軟巖地層圍巖。若不能準(zhǔn)確掌握這些圍巖在掘進(jìn)中的變化規(guī)律，從而采取合適的處置方法，就容易發(fā)生斜井垮塌涌水和卡盾抱箍等施工事故。如果斜井坡度大，使用盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)將面臨新的圍巖特性變化，因此必須對大坡度斜井圍巖變化特性進(jìn)行研究，以指導(dǎo)施工。

軟巖條件下圍巖穩(wěn)定性的研究成果較多。趙術(shù)江[1]對新疆沙吉海煤礦工程地質(zhì)條件、巖石物理力學(xué)特性及圍巖結(jié)果成分進(jìn)行研究，總結(jié)了軟巖巷道變形破壞特性，確定了影響軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的主控因素；王天佐[2]通過直剪蠕變試驗(yàn)，得出了軟巖蠕變狀態(tài)隨剪應(yīng)力變化的規(guī)律；賈善坡等[3]根據(jù)莫爾庫倫準(zhǔn)則，建立了黏土巖耦合模型，為軟巖隧洞變形的建設(shè)和施工提供了理論依據(jù)；伍永平等[4]研究了富水隧洞圍巖的破壞失穩(wěn)機(jī)理，認(rèn)為屈服面位移及應(yīng)力矢量呈非線性、非穩(wěn)態(tài)變化，有效應(yīng)力變化和塑性區(qū)失穩(wěn)的前提條件是隧洞孔隙水壓力矢量方向的改變，同時(shí)剪切變形局部化也是一個重要原因；崔增輝[5]、儲昭飛等[6]、李權(quán)[7]、劉浩旭等[8]等對軟巖條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)了周邊圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。以上研究針對軟弱圍巖特性展開研究，只考慮盾構(gòu)、斜井和軟巖中的一個或兩個條件；而在數(shù)值模擬方面，也未對滲流與無滲流兩種工況進(jìn)行對比研究。

熊良宵[9]、熊曉暉[10]、盛素玲[11]等對滲流場作用下平洞與斜井的圍巖力學(xué)特性進(jìn)行對比研究，得出坡度對隧道各點(diǎn)孔隙水壓力、最大主應(yīng)力和變形的影響，但未對不同埋深條件下的坡度影響作進(jìn)一步的研究。

本文結(jié)合考慮軟巖、斜井和盾構(gòu)三種條件，對比滲流與無滲流兩種工況，研究斜井盾構(gòu)施工中軟弱圍巖的變形特性。同時(shí)將坡度對圍巖的影響放置在不同埋深條件下，以研究坡度對軟巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果可為其他不同埋深條件下的斜井盾構(gòu)工程施工提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

項(xiàng)目依托的煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)，礦井生產(chǎn)能力約為20 Mt/a，礦井面積130.9 km2，可開采量約為1 430 Mt，其單井生產(chǎn)能力居世界第一。

本文主要研究K1+965.443至K2+075.628段，模擬計(jì)算的斜井主要用作輔助運(yùn)輸巷道，斜井總長2 744.54 m，明挖段26.316 m、盾構(gòu)段2 718.224 m，井筒凈直徑為6.6 m，斜井坡度5.5°。緩沖臺長50 m，每1 000 m設(shè)置一個。主要地層巖性見表1。

表1 主要地層巖性特征

第四系全新統(tǒng)(Q4)主要為風(fēng)積砂和沖洪積卵礫石層，風(fēng)積砂廣泛分布于地表，粒級多為細(xì)粒，多呈波狀起伏沙丘，厚度約4.5～22.6 m。

下白堊-上侏羅統(tǒng)志丹群(J3-K1zh)在場地內(nèi)分布厚度較小，在沖溝地段兩側(cè)部分出露于地表，總體趨勢沿井筒中心線東段較薄，西段較厚，平均厚度約40 m。

侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)地層為本區(qū)的主要含煤地層，地表無出露，為一套陸相碎屑含煤構(gòu)造，本次揭露最大厚度為110 m，層位分布穩(wěn)定。

2 數(shù)值分析模型

斜井埋深為11.0～281.1 m，砂質(zhì)地層占總埋深的97%。因斜井穿越的第四系風(fēng)積細(xì)砂、志丹群中粒砂巖、延安組細(xì)粒砂巖段地下水豐富，巖層透水性較好，對斜井盾構(gòu)施工影響較大，因此對該區(qū)域段進(jìn)行數(shù)值模擬，對斜井開挖過程中的圍巖及襯砌穩(wěn)定性進(jìn)行研究。有限元計(jì)算模型如圖1所示。初始條件只考慮圍巖及結(jié)構(gòu)自重、地下水的滲流影響，計(jì)算模型取自無反沖平臺段，長度為50 m。

圖1 計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)資料，模型尺寸設(shè)計(jì)為100 m(長)×100 m(寬)×50 m(高)。根據(jù)隧道埋深情況，盾構(gòu)到邊界距離按3～5倍洞徑選取，整個模型劃分為39 400個單元，42 566個節(jié)點(diǎn)。對盾構(gòu)開挖過程的模擬采用釋放單元節(jié)點(diǎn)處荷載的方法進(jìn)行。采用有限元程序提供的激活單元和殺死單元以及材料參數(shù)變換等功能模擬盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)、管片拼裝的過程。其中，盾構(gòu)、間隙體、注漿體和地層參數(shù)見表2和表3。

表2 盾構(gòu)及注漿體力學(xué)材料參數(shù)

表3 巖土體力學(xué)材料參數(shù)

3 斜井盾構(gòu)掘進(jìn)圍巖變形特征

3.1 盾構(gòu)斷面變形分析

計(jì)算中模擬隧道開挖時(shí)，根據(jù)采用有限元程序提供的“生”與“死”及材料參數(shù)變換功能進(jìn)行處理，通過分次殺死單元和分次激活單元和變換不同位置的材料參數(shù)來模擬盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)、管片拼裝的過程。

圖2為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中圍巖三維變形云圖。

圖2 盾構(gòu)收斂變形云圖

從圖2的斜井?dāng)嗝嫒S變形圖可以看出，洞室圍巖變形有明顯的空間效應(yīng)，當(dāng)開挖面前方超過2D的距離后，圍巖受洞室開挖的影響很小。開挖對洞頂上方的影響距離約為2D(D為隧道開挖直徑)。

斜井開挖過程中，考慮隧道開挖卸荷影響，卸荷時(shí)間間隔設(shè)置為2 h，分2步進(jìn)行，以模擬隧道不同時(shí)間不同卸荷水平的影響。斜井在掘進(jìn)過程中圍巖的塑性和卸荷區(qū)域分布見圖3。圖中色塊百分比主要指各區(qū)域的卸荷率。

圖3 斜井在不同掘進(jìn)時(shí)間下圍巖的塑性和卸荷區(qū)域分布

洞室圍巖塑性區(qū)域主要分布在洞室拱腰附近，呈X型分布。在斜井盾構(gòu)掘進(jìn)中，隨著洞室開挖深入，在洞室的拱頂、拱底及開挖面附近都出現(xiàn)了卸荷，卸荷率主要為40%～60%，卸荷區(qū)域的體積呈線性增加。

3.2 圍巖位移

沿盾構(gòu)縱向間隔8 m選擇若干觀測斷面，每個觀測斷面選取頂部、底部和左右兩側(cè)4個監(jiān)測點(diǎn)。頂部和底部監(jiān)測豎向位移，左右兩側(cè)監(jiān)測水平位移。圖4顯示盾構(gòu)掘進(jìn)至40 m位置的位移變化曲線。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)位移縱向變化情況

指向坐標(biāo)軸原點(diǎn)為開挖方向。拱頂和底部變形值，正值為沉降，負(fù)值為隆起；拱腰處變形，正值為向右變形，負(fù)值為向左變形。

從圖4可以看出：掌子面位置為40 m處，0～40 m范圍內(nèi)為掌子面后方，40～100 m為掌子面前方。目標(biāo)觀測面附近最大隆起量發(fā)生在開挖面后方3～5 m范圍內(nèi)；目標(biāo)觀測面附近最大沉降量發(fā)生在開挖面前方10～15 m范圍內(nèi)。

將開挖面上各點(diǎn)變形情況繪制為圖5。由圖5可知，隧洞圍巖向隧道中心收縮變形，其中頂部和底部的縱向收縮程度較兩側(cè)的橫向收斂變形大，隧洞呈現(xiàn)橢圓形變化趨勢。

圖5 壓扁效應(yīng)示意圖(單位：cm)

3.3 滲流條件

在隧洞圍巖滲流的全過程中，水與圍巖的相互作用始終存在，是隧洞圍巖變形的重要因素，因此研究水頭對斜井圍巖和結(jié)構(gòu)變形的影響具有重要意義。取距離洞口40 m處圍巖為對象，比較其在有無滲流兩種情況下，隧洞周邊圍巖的變形情況，結(jié)果如圖6。

圖6 有滲流和無滲流情況下隧道頂部圍巖變形

圖6表明，有無滲流作用情況下，隨著開挖過程的進(jìn)行，盾構(gòu)周圍圍巖的變形規(guī)律相似。但考慮滲流作用下，盾構(gòu)周圍圍巖變形量要比不考慮滲流作用下的變形量大，最大相差10 cm。為便于分析，將附近一點(diǎn)處的兩種情況變形繪制于圖7中。

圖7 考慮滲流與否盾構(gòu)周圍圍巖變形(單位：cm)

從圖6和圖7可知：在滲流作用下，圍巖產(chǎn)生了更加明顯的收縮，無滲流作用下的圍巖變形約為滲流作用下的圍巖變形的50%，圍巖的滲流作用使得盾構(gòu)管片壓扁效應(yīng)更為明顯。

4 不同埋深下斜井坡度對圍巖位移的影響

將盾構(gòu)周圍4個監(jiān)測點(diǎn)圍巖變形隨開挖的變化繪制于圖8中。

圖8 監(jiān)測斷面圍巖變形曲線

由圖8可知，盾構(gòu)掘進(jìn)周圍土體各部分受到的擾動效果不一樣:拱頂變形為3.5 cm，較其他三處位移偏大，說明拱頂處受開挖擾動最大。盾構(gòu)周圍關(guān)鍵部位受盾構(gòu)施工擾動程度為：頂部>兩側(cè)>底部。因此，考慮斜井坡度與盾構(gòu)掘進(jìn)過程中圍巖位移關(guān)系時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)研究在盾構(gòu)頂部和兩側(cè)位移的變化情況。

考慮縱坡值分別為0°、2°、4°、6°、8°和10°，埋深分別為20 m、40 m、60 m、80 m和100 m幾種工況，將盾構(gòu)開挖掘進(jìn)過程中引起的盾構(gòu)頂部和側(cè)向監(jiān)測點(diǎn)位移繪制于圖9。

圖9 各坡度監(jiān)測點(diǎn)位移

由圖9可以看出：

(1)當(dāng)斜井縱坡坡度<4°時(shí)，盾構(gòu)頂部監(jiān)測點(diǎn)豎向位移與側(cè)向監(jiān)測點(diǎn)水平位移相差較小，但均隨斜井埋深的增大而增大。

(2)當(dāng)斜井縱坡坡度>4°后，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的頂部豎向位移與側(cè)向水平位移間差值隨著埋深的增加而逐漸增大。

(3)無論坡度如何變化，頂部豎向位移值始終大于側(cè)向水平位移值，表明拱頂受開挖擾動的影響最大。

(4)坡度越大，側(cè)向水平位移越小，而頂部豎向位移變化較小。

5 結(jié)論

(1)開挖對洞室圍巖影響范圍主要在掌子面前后1倍洞徑內(nèi)，超過2倍洞徑后，其影響程度較小，而對于洞頂上方的影響范圍，其距離大約為2倍洞徑。

(2)隧洞的塑性區(qū)集中在拱腰區(qū)域，呈X形狀分布。隨著隧洞開挖的進(jìn)行，隧洞圍巖出現(xiàn)卸荷效應(yīng)，其卸荷率為40%～60%，其卸荷區(qū)域的體積呈線性增加。斜井盾構(gòu)在富水軟巖中掘進(jìn)時(shí)，隧洞周圍圍巖向隧道中心收斂變形，其中頂部和底部的縱向收縮程度較拱腰兩側(cè)的橫向收斂變形較大，隧洞呈現(xiàn)橢圓形變化趨勢。最終的滲流作用下的圍巖變形約是無滲流作用下的2倍，橢圓形變化趨勢加劇。

(3)盾構(gòu)掘進(jìn)面前方土體各部分受到的擾動效果不同，盾構(gòu)周圍關(guān)鍵部位受盾構(gòu)施工擾動程度為：頂部>兩側(cè)>底部。

(4)斜井坡度大于4°時(shí)，頂部豎向位移與側(cè)向水平位移間差值隨著埋深的增加而逐漸增大。