湖北興山縣礦山水工隧洞圍巖穩(wěn)定性影響因素分析

呂東陽(yáng)，何小龍

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010）

礦山法施工水工隧洞對(duì)地表沉降具有一定影響，對(duì)于水工隧洞開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的研究方法主要有：數(shù)值分析方法、理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)分析法、縮尺模型試驗(yàn)法等，理論計(jì)算法最常用的方法是Peck［1］基于理論分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的Peck公式，常用于單條水工隧洞開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的研究。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)水工隧洞開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的研究取得了較大進(jìn)展，并獲得較多科研成果：O’Reilly等［2］以水工隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，分析了影響水工隧洞開(kāi)挖的參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，并結(jié)合相關(guān)研究，得出了分析地鐵水工隧洞施工過(guò)程中地表沉降的計(jì)算公式；韓煊等［3］將Peck公式應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)用中，并分析監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的差異，提出了實(shí)際應(yīng)用中對(duì)Peck公式的調(diào)整；段寶福等［4］以某地鐵實(shí)際工程為研究背景，分析了地質(zhì)狀況差異、隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)及周圍建筑物作用對(duì)隧上方地表沉降的影響；姚愛(ài)軍等［5］對(duì)吉林某地鐵工程進(jìn)行研究，分析了地鐵隧道施工過(guò)程中地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并于Peck公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，分析了差異存在的原因，并對(duì)Peck公式在該工程應(yīng)用背景下做了相應(yīng)的修正；周小文等［6］利用離心實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)水工隧洞施工過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行分析；賀凱等［7］構(gòu)建了三維模型縮尺實(shí)驗(yàn)，分析了西安某地鐵工程地層裂隙作用對(duì)地表沉降的影響；常翔［8］在某實(shí)際地鐵工程的地質(zhì)狀況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了三維數(shù)值分析模型，分析了地鐵隧道施工對(duì)地表及交叉既有隧道沉降的影響。

基于前人通過(guò)數(shù)值分析方法、理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)分析法、縮尺模型試驗(yàn)法等分析水工隧洞施工對(duì)地表沉降的基礎(chǔ)上，本研究采用有限元數(shù)值模型模擬水工隧洞施工地表沉降，并與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)價(jià)模型的適用性，分別分析水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況、水工隧洞上覆地層狀況、水工隧洞爆破進(jìn)尺效應(yīng)對(duì)地表沉降的影響。

1 工程概況

湖北興山縣礦山水工隧洞全長(zhǎng)37.20km，本研究以其中某區(qū)間水工隧洞（Ⅴ工段）為研究對(duì)象，該區(qū)間水工隧洞結(jié)構(gòu)平均埋深約17.5m，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂平均埋深約11.5m，水工隧洞截面形式采用單洞單線馬蹄型斷面，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)舾?.60m，凈寬5.20m，結(jié)構(gòu)斷面采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，周邊布置帷幕防水，該區(qū)間采用礦山法施工方式進(jìn)行施工，Ⅴ工段范圍內(nèi)沿南北走向，由南向北地勢(shì)逐漸降低。

為了監(jiān)測(cè)地表沉降，沿著水工隧洞走向布置了沉降監(jiān)測(cè)儀，沿著水工隧洞走向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間距約20m，在較為重要的區(qū)段內(nèi)適當(dāng)加密沿著水工隧洞走向監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)檢測(cè)儀豎向布置8～15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)于同一水平截面的斷面，布置7個(gè)沉降監(jiān)測(cè)儀，在較為重要的區(qū)段適當(dāng)加密橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)儀在水平面上布置如圖1。

圖1 水平面上監(jiān)測(cè)儀布置

2 建立模型

為了探究不同條件下水工隧洞地表沉降值及分析對(duì)沉降的影響，本研究對(duì)該水工隧洞建立有限元數(shù)值分析模型，模型如圖2，模型長(zhǎng)60m，寬50m，高50m，將水工隧洞劃分為20.19萬(wàn)個(gè)單元，采用摩爾-庫(kù)倫模型對(duì)水工隧洞進(jìn)行研究，模型選擇為：水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型，水工隧洞挖出土體采用空模型。該區(qū)間范圍內(nèi)水工隧洞結(jié)構(gòu)所承受的圍壓為Ⅳ～Ⅵ級(jí)，水工隧洞開(kāi)挖采用CD法開(kāi)挖，開(kāi)挖前對(duì)水工隧洞周圍圍巖進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿加固，防止周圍圍巖破裂或坍塌。模擬前，為了更好地模擬實(shí)際工程狀況，將初期支護(hù)外1.0m范圍內(nèi)的巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力增大30%，CD開(kāi)挖模擬過(guò)程中，上下臺(tái)階的爆破深度分別為1.0，1.5m，兩臺(tái)階開(kāi)挖間距為5.0m，每段開(kāi)挖之后加入100個(gè)計(jì)算步，該模擬過(guò)程為水工隧洞爆破開(kāi)挖后到初期支護(hù)之前的圍巖應(yīng)力作用。

圖2 水工隧洞結(jié)構(gòu)模型

模型中土層分布如表1，該水工隧洞上部結(jié)構(gòu)土層為上軟下硬復(fù)合地層。

表1 土層分布

將Ⅴ工段起點(diǎn)100m的斷面實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比如圖3，沉降數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)擬合采用高斯峰值函數(shù)，下列圖中的點(diǎn)代表沉降數(shù)據(jù)，曲線為沉降數(shù)據(jù)擬合曲線。

根據(jù)圖3分析可得，圖中模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)基本吻合，均呈現(xiàn)沿著水工隧洞中心線向兩側(cè)減小的變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)擬合狀況較好，但存在微小差異，分析其原因：主要是由于模型中假設(shè)地層為均值地層，且不考慮其他影響沉降的因素，但實(shí)際工況中，地層是非均質(zhì)的，地層中存在不良地質(zhì)的狀況，地層中水分的滲入及施工的不確定因素等均是造成這種差異的原因，模型總體上可以很好地模擬實(shí)際水工隧洞施工時(shí)地表的沉降。

圖3 Ⅴ工段起點(diǎn)100m位置處實(shí)測(cè)值與模擬值

3 地表沉降的影響因素分析

3.1 水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況

水工隧洞在施工中，水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況可以使得結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征發(fā)生差異性變化，進(jìn)而使地表沉降不同，本研究對(duì)不同圍巖進(jìn)行劃分研究，劃分為：全軟巖、軟硬層厚度比2∶1、軟硬層厚度比1∶1、軟硬層厚度比1∶2、全硬巖。分別對(duì)這5種地層建立數(shù)值模型，分析水工隧洞洞身周圍的地層軟硬狀況差異對(duì)地表沉降的影響。不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的地表沉降結(jié)果如圖4，不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的沉降槽特征如表2。

圖4 不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的地表沉降

表2 不同洞身周圍的地層軟硬狀況下的沉降槽特征

分析計(jì)算結(jié)果可得：全軟巖地表沉降的最大值為23.439mm，全硬巖地表沉降的最大值為3.414mm，兩種地層分布情況下地表沉降差值為20.025mm；對(duì)于地層損失率，全軟巖是全硬巖10倍。對(duì)于不同洞身周圍的地層軟硬狀況，地層的總體軟硬越硬，地表沉降、地層損失及地層損失率均越小，且沉降范圍越小，但地層的總體軟硬越軟，則變化規(guī)律相反。對(duì)于沉降槽寬度系數(shù)i最大值為當(dāng)軟硬層厚度比為1∶2時(shí)，此時(shí)沉降槽寬度系數(shù)i值為8.046m；沉降槽寬度系數(shù)i最小值為全硬巖時(shí)，此時(shí)沉降槽寬度系數(shù)i值為6.293m。且軟硬層厚度比不同時(shí)對(duì)沉降槽寬度系數(shù)i值影響較小，均保持在8.000左右，且均大于單一地層。

3.2 水工隧洞上覆地層狀況

由地層分布狀況可知，Ⅴ工段水工隧洞上覆地層主要是素填土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r等組成，將地下2～6m范圍的土體設(shè)計(jì)成4種不同工況，研究不同種水工隧洞上覆地層對(duì)地表沉降的影響，模擬工況在洞深位置處圍巖為軟硬層厚度比為1∶2的上軟下硬巖層條件下進(jìn)行，且所有工況中僅2～6m范圍的上覆地層存在差別，其余條件及參數(shù)保持不變，設(shè)計(jì)上覆地層狀況如表3，不同種水工隧洞上覆地層地表沉降結(jié)果如圖5，不同水工隧洞上覆地層沉降槽特征如表4。

表3 上覆地層狀況設(shè)計(jì)

表4 不同水工隧洞上覆地層地表沉降槽特征

圖5 不同水工隧洞上覆地層地表沉降

分析計(jì)算結(jié)果可得：黏土-砂土層地表沉降的最大值為10.272mm，全黏土層地表沉降的最大值為10.025mm；砂土-黏土層地表沉降的最大值為9.802mm；全砂土層地表沉降的最大值為9.554mm，每種土層組合之間地表沉降的最大值差距不大，差值為0.718mm，地層損失、地層損失率、沉降槽寬度系數(shù)均差距不大，主要原因由于該區(qū)段內(nèi)水工隧洞主要埋藏于地下17.5m左右，埋深較淺，且處于巖層內(nèi)，且圍巖較為堅(jiān)硬，而上覆層主要是6m深度范圍以上，因而水工隧洞施工對(duì)上覆層擾動(dòng)較小，即使更換不同種上覆層，地表的沉降差異較小。因而，水工隧洞上覆層不是影響水工隧洞施工過(guò)程中地表沉降較為關(guān)鍵的因素。

3.3 水工隧洞爆破進(jìn)尺效應(yīng)

水工隧洞爆破凈尺直接影響水工隧洞周圍的巖層，因而，地表沉降可能受水工隧洞爆破凈尺的影響，本研究分析上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度分別為0.5～2.5m范圍的地表沉降，該范圍內(nèi)等間距取值，間距為0.5m，上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度及施工步距保持不變，且模擬過(guò)程中其余模擬參數(shù)及因素均相同。不同上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度條件下地表沉降結(jié)果如圖6，不同上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度條件下沉降槽特征如表5。

圖6 不同上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度條件下地表沉降

表5 不同上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度條件下沉降槽特征

分析計(jì)算結(jié)果可得：上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度為0.5m時(shí)Smax最小，Smax值為7.186mm，上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度為2.5m時(shí)Smax最大，Smax值為14.510mm，增加7.324，增幅比例為101.92%，但均處于規(guī)定允許的范圍內(nèi)；上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度為0.5m時(shí)i最小，Smax值為7.625m；上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度為2.5m時(shí)Smax最大，Smax值為8.146m，增大幅度較小，說(shuō)明不同的上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度對(duì)橫向沉降范圍影響較小，主要影響地表沉降最大值。分析其原因，由于上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度越大，周圍圍巖的應(yīng)力釋放越集中，因而導(dǎo)致周圍巖體承載力不足，進(jìn)而影響上覆地層的下沉，最終導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大距離的沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)比地表沉降監(jiān)測(cè)值和數(shù)值模擬分析結(jié)果，兩結(jié)果變化趨勢(shì)與沉降值基本吻合，說(shuō)明建立的有限元數(shù)值分析模型對(duì)該地表沉降模擬具有很好的適用性。

（2）地層的總體軟硬越軟，橫斷面上地表沉降最大值越大，地層損失越大，對(duì)地表沉降結(jié)果越不利。

（3）水工隧洞結(jié)構(gòu)施工對(duì)上覆層影響較小，因而水工隧洞上覆地層的差異性對(duì)地表沉降影響較小。

（4）上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度越小，地表沉降作用越小，爆破凈尺長(zhǎng)度為0.5m和2.5m狀況下，Smax相差7.324，增幅比例為101.92%，說(shuō)明上臺(tái)階爆破凈尺長(zhǎng)度差異性對(duì)地表沉降的影響較大。