巨跨扁平洞室施工期拱部沉降分析

宋超業(yè)，呂書(shū)清，賀維國(guó)，洪開(kāi)榮，劉永勝，王 星

(1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300131；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)正朝著大跨度、高利用率的方向發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，地下洞室開(kāi)挖跨度在 14～16 m 時(shí)為特大跨度，當(dāng)開(kāi)挖跨度大于16 m時(shí)為超大跨度。目前，超大跨地下洞室的跨度一般不超過(guò)40 m，跨度超過(guò)40 m的地下洞室可稱(chēng)作巨跨地下洞室。挪威奧林匹克大廳開(kāi)挖跨度為61 m，巖石覆蓋層為20～50 m，Broch等[1]對(duì)其支護(hù)體系進(jìn)行詳細(xì)研究，明確指出巖洞的整體穩(wěn)定性主要是水平應(yīng)力起作用；段建立等[2]利用顆粒流程序建立模型對(duì)60 m特大跨度扁平洞室力學(xué)行為進(jìn)行研究,得出其破壞特性、應(yīng)力分布及穩(wěn)定性影響因素；呂剛等[3]以八達(dá)嶺超大跨度隧道工程為背景，提出隧道結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)圈層傳遞效應(yīng)由淺層逐漸向深層傳遞，各圈層承載力由淺層向深層逐漸增大，并通過(guò)圍巖圈應(yīng)力分布的圖形分析，可以定量確定圍巖加固圈、塑性圈和承載圈的范圍及其承載力，并在此基礎(chǔ)上采用迭代試算的方法對(duì)錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；孫玉龍等[4]采用有限差分軟件，以普氏公式為基礎(chǔ)，結(jié)合過(guò)程荷載的理念及施工方法，把超大跨的橫斷面離散成若干小跨洞室，最后得出考慮施工過(guò)程的60 m超大跨扁平地下洞室圍巖壓力荷載值；秦康等[5]采用三維離散元數(shù)值模擬的方法對(duì)大跨度拱形扁平地下洞室的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，通過(guò)對(duì)比拱頂位移、襯砌和圍巖應(yīng)變、錨索應(yīng)力等因素得到斷層、節(jié)理對(duì)洞庫(kù)開(kāi)挖的影響并提出解決方案；徐干成等[6]、袁偉澤等[7]對(duì)于超大跨度扁平地下工程采用順序跳格、逆序回挖跳格的開(kāi)挖順序，認(rèn)為縱向跳格開(kāi)挖寬度取15 m左右、兩側(cè)導(dǎo)洞寬度取10 m左右較為合理；孫博等[8]在已有“特征曲線法”的基礎(chǔ)上,提出“圍巖位移-支護(hù)剛度反應(yīng)曲線法”確定支護(hù)體系的平衡條件。

現(xiàn)階段巨跨洞室工程案例和相關(guān)研究較少，對(duì)其巖體變形特征的分析主要依靠數(shù)值計(jì)算，本文結(jié)合某跨度>50 m洞室，研究分析其現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出其穩(wěn)定性機(jī)制，以期為類(lèi)似洞室的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

某洞室跨度B>50 m，斷面高度為14～22 m，矢跨比[9]小于0.25，洞室形態(tài)具有巨跨扁平特點(diǎn)，覆跨比為1～2。巨跨洞室斷面示意如圖1所示。

圖1 巨跨洞室斷面示意圖

洞室處于微風(fēng)化巖層中，巖體完整，巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為中厚層—厚層，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=70～90 MPa，圍巖類(lèi)別整體為Ⅱ—Ⅲ級(jí)，局部裂隙發(fā)育區(qū)域?yàn)棰?級(jí)。巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。場(chǎng)區(qū)結(jié)構(gòu)面類(lèi)型主要為小斷層、不整合接觸面及節(jié)理裂隙等，洞身開(kāi)挖范圍內(nèi)存在數(shù)十條裂隙及斷層發(fā)育帶。主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及形態(tài)如表2所示。層理傾向穩(wěn)定，層面較清晰，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)層面進(jìn)行剪切試驗(yàn)，顯示層面結(jié)合緊密，地下水不豐富。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及形態(tài)

場(chǎng)區(qū)地應(yīng)力以水平地應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為3.3～15.9 MPa，側(cè)壓力系數(shù)平均值為2.7；最小水平主應(yīng)力為2.6～9.2 MPa，側(cè)壓力系數(shù)平均值為1.7。

1.2 開(kāi)挖及支護(hù)方案

巨跨洞室采用橫向分塊，預(yù)留中巖柱施工，斷面分5部開(kāi)挖。開(kāi)挖步序示意如圖2所示。Ⅰ部與Ⅱ部、Ⅱ部與Ⅲ部的開(kāi)挖錯(cuò)距為5 m，Ⅳ部左右中巖柱拆除錯(cuò)距為10 m。系統(tǒng)支護(hù)措施采用250 mm厚鋼纖維噴射混凝土+9/6 m長(zhǎng)短相間砂漿錨桿+20 m長(zhǎng)(錨固段長(zhǎng)9 m，預(yù)加力1 000 kN)預(yù)應(yīng)力錨索組成。

圖2 巨跨洞室開(kāi)挖步序示意圖

2 圍巖變形特征

2.1 監(jiān)測(cè)布置

圍巖變形監(jiān)測(cè)形式分為拱頂沉降監(jiān)測(cè)和巖體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)2種。拱頂沉降監(jiān)測(cè)用來(lái)掌握表層巖體的變形特點(diǎn)，施工過(guò)程中可以此實(shí)時(shí)判定洞室的穩(wěn)定性；巖體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)用來(lái)了解深部巖體的變形趨勢(shì)及開(kāi)挖擾動(dòng)規(guī)律，可以更好地預(yù)判巖體變形趨勢(shì)和指導(dǎo)施工。

拱頂沉降監(jiān)測(cè)采用全站儀，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)測(cè)點(diǎn)1—5，監(jiān)測(cè)斷面沿洞室軸向間距為10 m，監(jiān)測(cè)斷面用K1—K14、K30、K70表示。

圍巖內(nèi)部變形采用四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，測(cè)試精度≤0.1%F.S(滿量程)。在垂直洞室?guī)r面方向上，距開(kāi)挖面1、5、9、15 m各布設(shè)1個(gè)錨固測(cè)點(diǎn)。每個(gè)斷面布設(shè)a—g7條測(cè)線，沿洞室軸向分別在洞口(1個(gè))、洞尾(1個(gè))、洞身(2個(gè))布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。測(cè)點(diǎn)布置橫斷面如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置橫斷面圖

2.2 變形曲線與洞室破壞模式

通常來(lái)說(shuō)，地下洞室圍巖的變形曲線可分為3類(lèi)[10-12]：1)連續(xù)介質(zhì)在應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整下的變形。此類(lèi)變形主要因?yàn)閹r體卸荷[13]和淺部松弛引起，開(kāi)挖時(shí)變形速率快，開(kāi)挖完成后迅速趨于收斂，該類(lèi)曲線一般呈臺(tái)階狀[14]，為應(yīng)力控制型變形曲線。當(dāng)巖體變形由應(yīng)力控制時(shí)，其破壞特點(diǎn)為巖石強(qiáng)度屈服引發(fā)的整體失穩(wěn)。2)不連續(xù)介質(zhì)在應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整下的變形。此類(lèi)變形主要由不連續(xù)結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體的位移引起，開(kāi)挖時(shí)位移陡增，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，變形連續(xù)性較差，離散性較高，該類(lèi)曲線一般呈鋸齒狀，為結(jié)構(gòu)面控制型變形曲線。當(dāng)巖體變形由結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，其破壞特點(diǎn)為塊體坍塌引發(fā)的局部失穩(wěn)。3)上述2種類(lèi)型結(jié)合而成的變形曲線。持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，曲線表現(xiàn)為鋸齒狀和臺(tái)階狀相結(jié)合的特點(diǎn)，為復(fù)合控制型變形曲線。

2.3 洞室開(kāi)挖輪廓變形特征

2.3.1 拱部整體沉降特征

對(duì)測(cè)點(diǎn)1—5的沉降值進(jìn)行分析，可得到洞室開(kāi)挖輪廓的變形特征。洞室各測(cè)點(diǎn)沉降匯總?cè)鐖D4所示。最大沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示。

圖4 洞室各測(cè)點(diǎn)沉降匯總

圖5 最大沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線

由圖4和圖5可以看出：1)洞室整體變形較小，拱部測(cè)點(diǎn)最終沉降值為0.8～22.8 mm。整體上，Ⅰ部沉降最大，其次為Ⅱ部，沉降最小為Ⅳ部。其中Ⅰ部拱頂測(cè)點(diǎn)1沉降值為8.2～22.8 mm，平均值為13.3 mm；Ⅱ部拱頂測(cè)點(diǎn)2、4沉降值為0.8～10.6 mm，平均值為4.9 mm；Ⅳ部拱頂測(cè)點(diǎn)3、5沉降值為3.3～15.5 mm，平均值為10.2 mm。2)最大沉降點(diǎn)位于K6監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ部拱頂，沉降曲線在Ⅱ、Ⅲ部開(kāi)挖時(shí)變化不明顯，呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，Ⅳ開(kāi)挖時(shí)沉降急劇增加，開(kāi)挖完成后呈緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。沉降曲線表現(xiàn)為急劇增長(zhǎng)—短暫穩(wěn)定或卸荷回彈—急劇增長(zhǎng)的形態(tài)分布，為典型的結(jié)構(gòu)面控制曲線。

2.3.2 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

本節(jié)選取3個(gè)代表斷面中的測(cè)點(diǎn)1、2、3監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制沉降曲線，如圖6—8所示。洞室斷面及開(kāi)挖具有對(duì)稱(chēng)性，測(cè)點(diǎn)4、5的沉降規(guī)律與測(cè)點(diǎn)2、3相似，故對(duì)測(cè)點(diǎn)4、5的沉降不再單獨(dú)論述。

圖6 測(cè)點(diǎn)1沉降曲線

由圖6可以看出：1)測(cè)點(diǎn)1的沉降曲線在Ⅱ、Ⅲ部開(kāi)挖時(shí)增長(zhǎng)較緩慢，而在Ⅳ部開(kāi)挖時(shí)沉降急劇增加；2)沉降曲線表現(xiàn)為急劇增長(zhǎng)—短暫穩(wěn)定或卸荷回彈—急劇增長(zhǎng)的形態(tài)分布，為典型的結(jié)構(gòu)面控制曲線。

由圖7可以看出：1)測(cè)點(diǎn)2沉降曲線變化劇烈反復(fù)，為典型的結(jié)構(gòu)面控制曲線，此過(guò)程應(yīng)力調(diào)整復(fù)雜，卸荷效應(yīng)明顯，在Ⅳ部開(kāi)挖時(shí)沉降急劇增加，開(kāi)挖完成后沉降呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；2)拱頂有抬升跡象，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，除去卸荷回彈因素外，應(yīng)為地應(yīng)力調(diào)整所致。

圖7 測(cè)點(diǎn)2沉降曲線

由圖8可以看出：測(cè)點(diǎn)3的沉降曲線為臺(tái)階狀和鋸齒狀相結(jié)合的特點(diǎn)，為復(fù)合控制型曲線，整體上以應(yīng)力控制為主。

圖8 測(cè)點(diǎn)3沉降曲線

2.4 圍巖內(nèi)部變形特征

對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)中各錨固點(diǎn)的位移值進(jìn)行分析，可得到巖體內(nèi)部變形特征。為方便論述，本文根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置和位移趨勢(shì)暫將洞室輪廓外0～5 m定義為淺層巖體，5～15 m為中層巖體，大于15 m為深層巖體。需要說(shuō)明的是，多點(diǎn)位移計(jì)的安裝較為復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，其數(shù)據(jù)獲取有一定滯后，監(jiān)測(cè)結(jié)果不可避免會(huì)存在誤差。鑒于此，本節(jié)僅對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)得到的變形趨勢(shì)及開(kāi)挖擾動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定性探討，不對(duì)具體數(shù)值展開(kāi)分析。

洞身監(jiān)測(cè)斷面位于洞室的中部，覆蓋層厚度及巖性較穩(wěn)定，其巖體內(nèi)部變形有代表性意義，因此本文僅對(duì)洞身斷面的巖體內(nèi)部變形進(jìn)行分析，對(duì)洞口及洞尾監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)不進(jìn)行探討。另外洞室斷面及開(kāi)挖具有對(duì)稱(chēng)性，測(cè)線e、f、g的監(jiān)測(cè)結(jié)果與測(cè)線b、c、d相似，故對(duì)測(cè)線e、f、g的監(jiān)測(cè)結(jié)果不再單獨(dú)論述。

2.4.1 測(cè)線a監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)線a洞身2個(gè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 測(cè)線a各測(cè)點(diǎn)位移曲線(洞身斷面1)

圖10 測(cè)線a各測(cè)點(diǎn)位移曲線(洞身斷面2)

由圖9可以看出：1)拆除Ⅳ部過(guò)程距孔口1 m測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化幅度最大，距孔口5、9 m測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化幅度較小，距孔口15 m測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化不明顯；2)Ⅳ部開(kāi)挖完成后距孔口1 m測(cè)點(diǎn)位移仍持續(xù)變大，說(shuō)明拱頂處開(kāi)挖擾動(dòng)范圍主要存在洞室周邊淺層巖體，中層巖體擾動(dòng)程度小，深層巖體變形基本無(wú)變化，且洞室周邊淺層圍巖受地應(yīng)力影響較大，出現(xiàn)了微量抬升跡象；3)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移曲線均出現(xiàn)跳躍性變化，然后趨于穩(wěn)定的特征，應(yīng)力重分布效應(yīng)明顯，巖體變形以應(yīng)力控制為主。

由圖10可以看出: 1)開(kāi)挖擾動(dòng)范圍主要存在洞室周邊淺層巖體，中層巖體擾動(dòng)程度??；2)測(cè)點(diǎn)的位移值出現(xiàn)臺(tái)階狀和鋸齒狀相結(jié)合的分布特征，為復(fù)合控制型曲線；3)從數(shù)據(jù)上看，2種穩(wěn)定機(jī)制有一定的耦合，整體上以應(yīng)力控制為主；4)洞室開(kāi)挖完成后距孔口1 m測(cè)點(diǎn)位移仍在不斷緩慢變化，說(shuō)明洞室開(kāi)挖引起淺層巖體應(yīng)力調(diào)整持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4.2 測(cè)線b和d監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)線b和d洞身2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)一致性較高，故本文僅對(duì)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的變形特征進(jìn)行論述。測(cè)線b監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。測(cè)線d監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖11 測(cè)線b各測(cè)點(diǎn)位移曲線

圖12 測(cè)線d各測(cè)點(diǎn)位移曲線

由圖11和圖12可以看出：1)測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)位移規(guī)律較為一致，測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的臺(tái)階狀，局部有鋸齒狀，總體上由應(yīng)力控制起主導(dǎo)因素；2)洞室開(kāi)挖完成后距孔口1、5、9 m測(cè)點(diǎn)位移仍在不斷緩慢變化，說(shuō)明洞室開(kāi)挖引起的淺中層巖體應(yīng)力調(diào)整持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4.3 測(cè)線c監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)線c洞身2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)一致性較高，故本文僅對(duì)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的變形特征進(jìn)行論述。測(cè)線c監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13所示。

圖13 測(cè)線c各測(cè)點(diǎn)位移曲線

由圖13可以看出：1)距孔口1、5 m測(cè)點(diǎn)位移變化較大，距孔口9、15 m測(cè)點(diǎn)位移變化不大，說(shuō)明拱肩附近的開(kāi)挖擾動(dòng)范圍主要存在于洞室周邊淺中層巖體；2)拆除中巖柱過(guò)程中，洞室圍巖受地應(yīng)力影響，出現(xiàn)微量上拱現(xiàn)象；3)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖過(guò)程中位移值以鋸齒狀為主，開(kāi)挖完成后變形曲線以臺(tái)階狀為主，為復(fù)合控制型曲線；4)從數(shù)據(jù)上看，2種穩(wěn)定機(jī)制有一定的耦合，整體上以結(jié)構(gòu)面控制為主；5)洞室開(kāi)挖完成后，各測(cè)點(diǎn)位移均有不斷緩慢變化趨勢(shì)，說(shuō)明洞室開(kāi)挖引起的應(yīng)力調(diào)整范圍較廣，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

巨跨洞室的工程案例較少，數(shù)值計(jì)算是設(shè)計(jì)工作的重要手段和依據(jù)。本工程數(shù)值計(jì)算的應(yīng)用思路如下：在設(shè)計(jì)階段，先初步擬定支護(hù)參數(shù)，在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整；最終綜合對(duì)比巖體穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性等內(nèi)容選定設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。施工期間根據(jù)地質(zhì)新揭露情況和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，必要時(shí)對(duì)巖體穩(wěn)定性重新分析，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

針對(duì)結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室穩(wěn)定性具有較大影響的特點(diǎn)，本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用三維離散單元程序(3DEC)[15]對(duì)洞室沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)支護(hù)措施的合理性進(jìn)行分析。本節(jié)將主要對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行論述，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的合理性。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)選取

計(jì)算模型中包括層理和裂隙等結(jié)構(gòu)面以及隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)，模型建立過(guò)程不再進(jìn)行詳細(xì)論述。三維計(jì)算模型示意如圖14所示。層理及主要結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)揭露情況，并參照GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D.0.2確定。本工程數(shù)值計(jì)算選用的巖石和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)如表3和表4所示。

圖14 三維計(jì)算模型示意圖

表3 巖石物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表4 主要結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

3.2 整體變形計(jì)算

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到洞室的整體變形特征，其中Ⅲ、Ⅳ部左側(cè)巖柱及Ⅳ部右側(cè)巖柱關(guān)鍵步序開(kāi)挖支護(hù)后的洞室沉降云圖如圖15—17所示。最大沉降值約29 mm，整體沉降可控，支護(hù)措施可行。

圖15 Ⅲ部開(kāi)挖完成位移云圖(單位：m)

圖17 Ⅳ部右側(cè)巖柱開(kāi)挖完成位移云圖(單位：m)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析如圖18所示。可以看出：1)數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果總體規(guī)律一致，吻合度較高，最終沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差在工程應(yīng)用可接受范圍內(nèi)，能夠有效指導(dǎo)工程安全修建，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的合理性；2)Ⅳ部開(kāi)挖引起的沉降計(jì)算值較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)偏大，主要原因是基于安全考慮，數(shù)值計(jì)算采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)取值相對(duì)保守，且Ⅳ部開(kāi)挖洞室跨度突變，差異相對(duì)明顯。

圖18 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析圖

3.3 塊體沉降計(jì)算

在巨跨洞室穩(wěn)定性分析中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)面發(fā)育區(qū)域，尤其是其切割形成的不穩(wěn)定塊體。本洞室主要結(jié)構(gòu)面切割形成的楔形體有1處，處于K30斷面里程附近，由L1、L2、L3與開(kāi)挖面切割形成，塊體高約10 m，長(zhǎng)、寬均約8 m，體積約102 m3。楔形體位置及尺寸示意如圖19所示。

圖19 楔形體位置及尺寸示意圖(單位：m)

數(shù)值計(jì)算得出的楔形體沉降云圖如圖20所示。在系統(tǒng)支護(hù)作用下，楔形體沉降可控且未發(fā)生滑移現(xiàn)象，支護(hù)措施可行。

圖20 楔形體位移云圖(單位：m)

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程洞室未出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，楔形體附近布置的測(cè)點(diǎn)1和2沉降曲線如圖7和圖8的K30斷面，沉降曲線為典型的結(jié)構(gòu)面控制曲線。

楔形體區(qū)域的測(cè)點(diǎn)沉降實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果有一定差異，這屬于正?，F(xiàn)象，主要原因有2個(gè)：一是現(xiàn)有手段難以摸清結(jié)構(gòu)面在巖體內(nèi)部的分布情況，導(dǎo)致塊體形態(tài)難以準(zhǔn)確判定；二是設(shè)計(jì)一般采用最不利結(jié)構(gòu)面分布，塊體形態(tài)和實(shí)際會(huì)有一定出入。從工程應(yīng)用角度，在數(shù)值計(jì)算中，分析塊體具體沉降數(shù)值對(duì)穩(wěn)定性評(píng)判意義不大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注塊體是否沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移。

4 巨跨洞室圍巖變形特征分析

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算，并結(jié)合洞室的地質(zhì)條件、地應(yīng)力及開(kāi)挖步序，對(duì)巨跨洞室的變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出其變形特征如下。

1)巨跨洞室整體沉降較小，洞室拱部最終沉降值為0.8～22.8 mm。巨跨洞室圍巖變形受地質(zhì)條件、地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面等因素影響，洞室整體沉降具有一定的離散性，結(jié)構(gòu)面分布區(qū)域的沉降值較大，施工過(guò)程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)面附近區(qū)域的變形情況。

2)巨跨洞室總體上Ⅰ部拱頂沉降最大，Ⅳ部拱頂沉降最小，Ⅳ部拱頂沉降約為Ⅰ部拱頂沉降的37%，這與其分部開(kāi)挖、預(yù)留中巖柱的開(kāi)挖方式有關(guān)。

3)巨跨洞室開(kāi)挖Ⅰ至Ⅲ部過(guò)程拱頂沉降變化較緩慢，拆除中巖柱即Ⅳ部拱頂沉降急劇增加，Ⅳ部開(kāi)挖引起的沉降占總沉降的40%～60%。Ⅳ部中巖柱拆除是洞室由小跨變大跨的過(guò)程，此過(guò)程是應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整最劇烈的過(guò)程，兩側(cè)中巖柱不宜同時(shí)拆除。

4)巨跨洞室的變形曲線呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的臺(tái)階狀和急劇變化的鋸齒狀相結(jié)合的發(fā)展特點(diǎn)，可以判定巨跨洞室破壞為應(yīng)力控制的整體失穩(wěn)與結(jié)構(gòu)面控制的局部失穩(wěn)相結(jié)合的特點(diǎn)。從巖體內(nèi)部變形曲線看出，洞室周邊淺表層巖體變形受結(jié)構(gòu)面、巖體卸荷和開(kāi)挖爆破的影響，多以鋸齒狀為主，為結(jié)構(gòu)面控制型主導(dǎo)曲線，而中深層巖體曲線多以臺(tái)階狀為主，為應(yīng)力控制型主導(dǎo)曲線。因此，巨跨洞室支護(hù)應(yīng)從整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定2方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5)從巖體內(nèi)部變形曲線看出，開(kāi)挖對(duì)深層巖體的影響程度較弱，不同部位的開(kāi)挖擾動(dòng)范圍也有一定差異。在本工程地質(zhì)條件下，開(kāi)挖引起的拱頂擾動(dòng)范圍要小于拱肩部位擾動(dòng)范圍。

5 結(jié)論與建議

巨跨洞室的研究目前在我國(guó)還處于初步探索階段，本文通過(guò)對(duì)洞室變形監(jiān)測(cè)結(jié)果和三維數(shù)值分析，并結(jié)合洞室的地質(zhì)條件及開(kāi)挖步序，得到主要結(jié)論與建議如下：

1)在本工程地質(zhì)條件下，巨跨洞室整體變形不大，其中中巖柱拆除步序引起的沉降占總沉降的40%～60%，此步序?yàn)槌啥醋顬殛P(guān)鍵的步序，在施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2)巨跨洞室的變形由應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)面雙重控制。其中，洞室周邊淺表層巖體變形主要由結(jié)構(gòu)面控制，而中深層巖體變形主要由應(yīng)力場(chǎng)控制。根據(jù)此變形特征，建議在后續(xù)研究中分析不同支護(hù)措施對(duì)淺中深層巖體變形的影響。

3)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)手段較難獲取準(zhǔn)確的巖體內(nèi)部變形值，因此本文對(duì)巖體內(nèi)部變形僅進(jìn)行了定性探討，后續(xù)工作建議結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)巖體內(nèi)部變形進(jìn)一步研究。