覃 黎， 劉 洋， 張澤天， 曹志國(guó)， 張 凱， 張文舉

(1.四川大學(xué) a.水利水電學(xué)院；b.深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.神華集團(tuán) 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；3.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院,廣東 深圳 518060；4.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，成都 610081)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市地下空間利用率也不斷提高[1]。地下建筑物日益密集和管線日益復(fù)雜擁擠，使得通過建設(shè)淺層地下排水管道來提高城市排水標(biāo)準(zhǔn)和完善截污系統(tǒng)變得異常困難，且代價(jià)巨大，為解決雨水、生活污水的排澇問題，未來的城市必將建設(shè)一大批長(zhǎng)洞線、大斷面、深埋藏的排水隧道工程。而深部巖體所處的應(yīng)力和地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，在開挖施工過程中可能出現(xiàn)片幫、坍塌、巖爆和片狀剝落等一系列破壞現(xiàn)象[2-6]，影響圍巖穩(wěn)定。這些現(xiàn)象除了與巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力有關(guān)外，也與施工方法、支護(hù)類型等因素有緊密聯(lián)系。

在圍巖穩(wěn)定性分析方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開了一系列研究。王偉鋒等[7]研究了4種施工方法(全斷面法、短臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法)下地表沉降、隧道圍巖位移和塑性區(qū)的變化規(guī)律；周宗青等[8]采用簡(jiǎn)化圍巖地質(zhì)條件的三維計(jì)算模型，對(duì)比分析了全斷面法、上下臺(tái)階法、導(dǎo)洞超前開挖法下宜巴高速公路石門埡隧道的水平位移、拱頂沉降和先行位移；賈劍青等[9]應(yīng)用FLAC3D應(yīng)變軟化模型研究了全斷面施工下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；李力[10]分別采用三臺(tái)階法和CRD法開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，探索了這2種開挖方法下隧道圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的特征，研究了這兩種開挖方法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并且得出了CRD法更適合IV級(jí)以上圍巖施工的結(jié)論；徐晨[11]對(duì)隧道全斷面開挖過程進(jìn)行模擬，獲得了開挖引起的應(yīng)力、位移的時(shí)空演化規(guī)律和圍巖擾動(dòng)特征，并結(jié)合單孔聲波測(cè)試法和UDEC離散元軟件研究了米倉(cāng)山隧道深埋段開挖損傷范圍，為支護(hù)手段和參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

本文根據(jù)典型斷面的實(shí)際地質(zhì)剖面圖建立三維計(jì)算模型，研究4種施工方法(全斷面法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法、三臺(tái)階下導(dǎo)洞法)下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠性與圍巖的穩(wěn)定性，并研究了圍巖變形和塑形區(qū)對(duì)彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的敏感性。

1 工程背景

本文以某市深埋排水工程為研究背景，隧道總長(zhǎng)8.6 km，埋深大多在70～80 m，最大埋深125 m，斷面面積50.97 m2，屬于“長(zhǎng)、大、深”隧道(洞線長(zhǎng)、斷面大、埋藏深)。謝和平等[12]認(rèn)為深部隧道，圍巖大塑性變形和高能量積聚相伴而生，頂板控制、隧道維護(hù)和動(dòng)力災(zāi)害防治將極為困難,對(duì)現(xiàn)有的開挖技術(shù)和支護(hù)技術(shù)是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此急需研究長(zhǎng)大深埋排水隧洞圍巖穩(wěn)定性。

樁號(hào)K2+260～K2+310區(qū)域圍巖為IV類圍巖，局部構(gòu)造發(fā)育帶為V類均為硬巖組成的巖洞，隧道埋深77 m。其中，素填土厚30.2 m；花崗巖殘積土厚為10.6 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚為12.9 m；弱風(fēng)化花崗巖厚為7.7 m，隧道頂部至微風(fēng)化花崗巖與弱風(fēng)化花崗巖的分界線15.6 m。具體工程概況如圖1所示。

圖1 工程剖面圖

隧道采用馬蹄形橫斷面，跨度9.03 m，高10 m，深埋排水隧道IV類圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 深埋排水隧道IV類圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)圖(mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

本文采用FLAC3D有限差分程序?qū)Ρ尘肮こ踢M(jìn)行模擬計(jì)算。已有研究表明，對(duì)于地下洞室開挖后的應(yīng)力以及應(yīng)變，僅在洞室周圍距離洞室中心點(diǎn)3～5倍的隧道開挖高度與寬度中的較大值范圍內(nèi)存在實(shí)際影響。本文中排水隧道的開挖高度和跨度分別為10、9.03 m。因此，數(shù)值計(jì)算模型的尺寸確定為水平及豎直邊界距離開挖中心3倍的最大開挖跨度。模型在x、y、z3個(gè)方向上的尺寸分別為70、50及117 m。模型的前后左右邊界約束其法向位移，底部約束z方向上的位移，頂部為自由邊界。

整體計(jì)算模型如圖3所示。建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí)，考慮到計(jì)算精度，隧道附近處網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離隧道處網(wǎng)格較稀疏，較好地滿足模型計(jì)算精度要求[13]。計(jì)算模型y方向網(wǎng)格長(zhǎng)均為1 m；隧道x、z方向網(wǎng)格長(zhǎng)0.7 m；圍巖x方向網(wǎng)格長(zhǎng)均為2 m，z方向網(wǎng)格從微風(fēng)化黃崗巖到素填土長(zhǎng)依次為2、3、4、5、5 m。

圖3 整體模型

通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)和巖體結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，可確定巖層的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 各土層及巖層物理力學(xué)參數(shù)

c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦力

2.2 施工過程模擬

采用數(shù)值計(jì)算對(duì)全斷面法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法及三臺(tái)階下導(dǎo)洞法，4種施工方法的施工過程進(jìn)行模擬，主要包含以下幾個(gè)步驟：①自重應(yīng)力場(chǎng)的形成；②隧道的開挖，本文中隧道開挖進(jìn)尺為3 m；③隧道支護(hù)。其中，隧道初期支護(hù)采用22 cm厚C25噴射混凝土，R25中空注漿錨桿(長(zhǎng)3.5 m)，縱向間距為1.5 m，梅花形布置；二次襯砌采用50 cm厚C30混凝土。

計(jì)算中的錨桿采用cable單元進(jìn)行模擬，噴混凝土和模筑混凝土均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。排水隧道混凝土襯砌的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 排水隧道襯砌物理力學(xué)參數(shù)

隧道施工模擬過程中，具體施工分部見圖4。當(dāng)模擬全斷面法施工時(shí)，一次性開挖圖中①、⑤部；采用三臺(tái)階法施工時(shí)，先開挖①、②部，再開挖③部，最后開挖④、⑤部，開挖的高度從上到下依次為4、3、3 m；采用三臺(tái)階上導(dǎo)洞法施工時(shí)，先開挖①部，再開挖②部，然后開挖③部，最后開挖④、⑤部，開挖的高度與三臺(tái)階法一致，中間導(dǎo)洞寬3 m；采用三臺(tái)階下導(dǎo)洞法施工時(shí)，先開挖⑤部，再開挖④部，然后開挖③部，最后開挖①、②部，開挖的高度與三臺(tái)階法一致，導(dǎo)洞寬3 m，開挖的高度從上到下依次為3、3、4 m。上述4種施工方法中，臺(tái)階法與上下導(dǎo)洞法的臺(tái)階長(zhǎng)均為12 m。

圖4 隧道開挖分部圖(mm)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 不同施工方法應(yīng)力、塑性區(qū)及位移場(chǎng)分析

(1) 應(yīng)力場(chǎng)分析。全斷面法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法以及三臺(tái)階下導(dǎo)洞法施工中，采用三臺(tái)階法施工時(shí)隧道初期支護(hù)、二次襯砌最大拉應(yīng)力最大，值均為0.766 MPa，小于排水隧洞初期支護(hù)、二次襯砌所采用的C25、C30混凝土的極限抗拉強(qiáng)度2.0、2.2 MPa；采用全斷面法施工時(shí)隧道初期支護(hù)、二次襯砌最大壓應(yīng)力最大，值分別為0.664、0.834 MPa，小于深埋排水隧洞二次襯砌所采用的C25、C30混凝土的極限抗壓強(qiáng)度19.0、22.5 MPa(見表3)。

表3 隧道襯砌最大拉、壓應(yīng)力

其中，當(dāng)采用全斷面法施工時(shí)最大拉應(yīng)力主要集中在拱頂及拱底，說明當(dāng)采用該方法施工時(shí)排水隧道的拱頂及拱底處屬于較易破壞的位置；而采用三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法和三臺(tái)階下導(dǎo)洞法施工時(shí)最大拉應(yīng)力主要集中在拱底，說明當(dāng)采用以上3種方法施工時(shí)排水隧道的拱底處屬于較易破壞的位置。施工過程中應(yīng)該及時(shí)檢測(cè)相對(duì)容易破壞的位置，必要時(shí)針對(duì)易破壞位置采取一定的措施進(jìn)行加固處理。

為了評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的安全性，可以求出隧道結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),

(1)

式中：k為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù);eR為混凝土的極限抗壓、抗拉強(qiáng)度，maxes為結(jié)構(gòu)受到的最大拉、壓應(yīng)力。

根據(jù)式(1)對(duì)排水隧道襯砌抗拉、抗壓進(jìn)行驗(yàn)算，最小安全系數(shù)分別為2.87、26.98，說明隧道最大拉、壓應(yīng)力驗(yàn)算均滿足要求，采用三臺(tái)階下導(dǎo)洞法施工對(duì)隧道的擾動(dòng)最小，不同施工方法的具體安全系數(shù)見表4。

表4 隧道襯砌安全系數(shù)

(2) 塑性區(qū)分析。采用全斷面法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法及三臺(tái)階下導(dǎo)洞法施工隧道塑性區(qū)大小依次為160.64、331.93、287.08、199.39 m3，具體分布見圖5。采用全斷面法施工時(shí)隧道塑性區(qū)最小，說明該方法對(duì)隧道的擾動(dòng)最小。

(a) 全斷面法

(b) 三臺(tái)階法

(c) 三臺(tái)階上導(dǎo)洞法

(d) 三臺(tái)階下導(dǎo)洞法

圖5 不同施工方法下隧道塑性區(qū)分布圖

(3) 位移場(chǎng)分析。與三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法以及三臺(tái)階下導(dǎo)洞法相比，采用全斷面法施工隧道初期支護(hù)、圍巖的最大豎向位移最小，值分別為1.76、1.95 mm；采用三臺(tái)階上導(dǎo)洞法施工隧道最大水平側(cè)向位移最小，值為0.17 mm；采用全斷面法開挖隧道圍巖最大水平位移最小，值為0.24 mm。采用全斷面法施工時(shí)隧道變形量最小。隧道最大豎向位移、水平位移分別如表5、表6所示。

分別計(jì)算隧道襯砌及圍巖的豎向、水平變形安全系數(shù)：

[UV]=uH/2

(2)

[UH]=uB/2

(3)

表5 隧道最大豎向位移 mm

表6 隧道最大水平位移 mm

式中：H為隧道高度;B為隧道寬度;u為極限相對(duì)位移值;[UV]、[UH]分別為豎向、水平向允許變形。

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086-2015)，隧道埋深在50～100 m，IV類圍巖的極限相對(duì)位移值u應(yīng)在0.4%～1.2%(見表7)，本工程埋深為77 m，采用插值法確定極限相對(duì)位移值u取0.47%。本工程隧道高為10 m，寬為9.03 m，代入式(2)、(3)可得：[Uv]=23.50 mm,[UH]=21.22 mm。

表7 隧洞、洞室周邊允許相對(duì)收斂值 %

不同施工方法下圍巖的變形量(見表5、表6)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086-2015)規(guī)定的允許變形。

3.2 敏感度分析

參照文獻(xiàn)[14-15]中對(duì)敏感度進(jìn)行定義：

(4)

式中：Sk為因素xk的敏感度，k=1，2，…，n；|ΔP/P|為系統(tǒng)特性的相對(duì)變化率；|Δxk/xk|為某一因素的相對(duì)變化率。

選擇全斷面施工方法分別對(duì)微風(fēng)化花崗巖的彈性模量E、黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)、位移場(chǎng)的敏感性分析(見表8)。每次敏感性分析只變動(dòng)其中1個(gè)因素，而保持其他因素不變。

表8 對(duì)比分析方案

(1) 應(yīng)力場(chǎng)敏感性分析。由圖6可知，影響襯砌應(yīng)力大小的力學(xué)參數(shù)的敏感度從大到小依次為E、c以及φ，當(dāng)E的相對(duì)變化率大于0.8時(shí)，襯砌的拉應(yīng)力急劇增大。

(a) 拉應(yīng)力

(b) 壓應(yīng)力

(2) 塑性區(qū)敏感性分析。塑性區(qū)范圍主要受黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，相對(duì)變化率在0～0.6時(shí)，黏聚力對(duì)塑性區(qū)影響最大；相對(duì)變化率在0.6～0.8時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)塑性區(qū)影響相差不大；相對(duì)變化率大于0.8時(shí)，塑性區(qū)對(duì)彈性模量最敏感。相比黏聚力和內(nèi)摩擦角，彈性模量對(duì)塑性區(qū)幾乎沒有影響(見圖7)。

(3) 位移場(chǎng)敏感性分析。如圖8所示，圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)圍巖最大豎向、水平位移影響依次為彈性模量、黏聚力以及內(nèi)摩擦角，相對(duì)變化率大于0.8時(shí)，圍巖最大位移急劇增大。

圖7 圍巖塑性區(qū)敏感度分析

(a) 最大豎向位移

(b) 最大水平位移

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了深埋排水隧道在不同施工方法下隧道的開挖支護(hù)過程，研究了隧道襯砌的變形與應(yīng)力變化，分析了不同施工方法下圍巖變形，得到了以下結(jié)論：

(1) 不同施工方法下(全斷面法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階下導(dǎo)洞法)隧道的最大拉、壓應(yīng)力均小于C25、C30混凝土的極限抗壓強(qiáng)度(19.0、22.5 MPa)、極限抗拉強(qiáng)度(2.0、2.2 MPa)，即排水隧道襯砌按抗壓及抗拉驗(yàn)算均安全。

(2) 隧道最大拉應(yīng)力主要集中在拱頂及拱底，說明排水隧道的拱頂、拱底屬于較易破壞的位置，施工過程中應(yīng)該及時(shí)檢測(cè)，必要時(shí)采取一定的措施對(duì)拱底進(jìn)行加固處理。

(3) 與三臺(tái)階法、三臺(tái)階上導(dǎo)洞法、三臺(tái)階下導(dǎo)洞法相比，隧道采用全斷面法施工時(shí)圍巖的豎向位移和水平位移最小，襯砌及隧道周邊圍巖中的應(yīng)力較大。

(4) 通過參數(shù)敏感度分析，確定了本工程實(shí)際的主要影響參數(shù)和次要影響參數(shù)：襯砌應(yīng)力、圍巖變形對(duì)彈性模量最為敏感，其次是黏聚力，然后是內(nèi)摩擦角；黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)塑性區(qū)影響較大，彈性模量對(duì)塑性區(qū)影響很小。