周亞?wèn)| 張 彬 耿 招 陳大偉 羅 俐 蘇海峰

( ①中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 北京) 工程技術(shù)學(xué)院 北京 100083)

( ②中國(guó)建筑一局( 集團(tuán)) 有限公司 北京 100071)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的公路、鐵路及水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異，相繼出現(xiàn)了大量的長(zhǎng)大山嶺隧道工程。然而，山區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜多變使得大量隧道在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了突水、塌方等災(zāi)害( 葉懿尉等，2018) 。因此，隧道開(kāi)挖過(guò)程圍巖穩(wěn)定性研究尤為重要。

不同學(xué)者的研究表明: 隧道圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析對(duì)工程安全非常重要，利用監(jiān)測(cè)量測(cè)的方法能夠直觀地對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)( 陳新年等，2017) ; 斷面形狀對(duì)圍巖應(yīng)力分布具有明顯影響，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)整施工方式以保證施工安全進(jìn)行( 王薇等，2002; 陳雪峰等，2015; 施有志等，2018) ; 在破碎帶施工時(shí)，滲流作用對(duì)圍巖穩(wěn)定性具有十分明顯的影響( 王建新等，2011; Zhang et al.，2019) ; 破碎帶圍巖體施工的方式和支護(hù)方案對(duì)隧道的施工安全有巨大的影響( 劉君等2007; 楊小禮等，2008; 邵帥等，2017; 鄒佳光. 2017; 胡巍等，2018) ; 數(shù)值模擬能夠有效地模擬隧道開(kāi)挖情況，并分析其開(kāi)挖后的穩(wěn)定性( 方前程等，2017; 郭超等，2017; 李偉瀚等，2018) 。

為了充分利用現(xiàn)場(chǎng)巖體地質(zhì)信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免簡(jiǎn)單機(jī)械地使用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則( Meng et al.，2015) ，本文采用能考慮巖體結(jié)構(gòu)面特征和施工擾動(dòng)對(duì)巖體的破壞作用的Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行研究( 段群苗等，2013; Bozorgzadeh et al. 2017;耿招等，2018) 。

本文以云南華麗高速半巖子隧道為工程依托。先綜合分析隧道開(kāi)挖區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等資料，從整體上了解隧道的地質(zhì)情況。接著對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，得到隧道開(kāi)挖前方的結(jié)構(gòu)面發(fā)育信息以及巖體的彈性模量、剪切模量、泊松比等信息。并在隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行充分調(diào)查，得到圍巖的結(jié)構(gòu)面發(fā)育信息，提供霍克－布朗參數(shù)。最后建立研究區(qū)域模型，結(jié)合得到的巖體參數(shù)，利用FLAC3D按照既定支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行隧道開(kāi)挖模擬，研究隧道開(kāi)挖后的穩(wěn)定性，并對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證此方法得到的數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。并據(jù)此對(duì)未開(kāi)挖圍巖的施工提出建議，以保證施工的安全。

1 工程背景

半巖子隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，左線起止點(diǎn)樁號(hào)為ZK41+595 ～ZK44+785，長(zhǎng)3190 m; 右線起止點(diǎn)樁號(hào)為K41+595～K44+815，長(zhǎng)3220 m。

半巖子隧道區(qū)屬中低碳酸鹽巖構(gòu)造剝蝕( 溶蝕) 地貌區(qū)，地形起伏較大。隧址區(qū)基巖為泥盆系中統(tǒng)( D2) 灰?guī)r、白云巖。隧道跨度12.5 m，高10.05 m( 圖1) 。隧道最大埋深約為585 m。半巖子隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，多為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖，大部分屬于軟弱破碎圍巖。隧道采用雙臺(tái)階法開(kāi)挖。

圖1 隧道斷面圖( 單位:cm)Fig. 1 Detailed cross section of the tunnel( unit: cm)

2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)取值

利用TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)充分了解圍巖的整體地質(zhì)情況( 李天斌等，2009; 李術(shù)才等，2014) ，并得到巖體的部分力學(xué)參數(shù)。選取此次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)段的巖體進(jìn)行研究，對(duì)隧道開(kāi)挖中的掌子面進(jìn)行充分的地質(zhì)調(diào)查綜合得到其Hoek-Brown 參數(shù)( Wu et al.，2017) 。

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

利用現(xiàn)場(chǎng)的TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)前方巖體質(zhì)量和不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行研究，并利用TGP 系統(tǒng)得到部分巖體力學(xué)參數(shù)。

隧道地震波超前預(yù)報(bào)是利用地震反射波和繞射波原理對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)。數(shù)據(jù)采集工作包括: 激發(fā)孔( 炮孔) 和接收孔的布置、藥卷同步信號(hào)制作、接收探頭安裝、儀器采集參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集5 個(gè)內(nèi)容。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果。

由TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以獲得巖體的橫波波速VS和縱波波速VP。結(jié)合前期勘察和室內(nèi)試驗(yàn)得到的巖體密度ρ 通過(guò)式( 1) 、式( 2)和式( 3) 計(jì)算出巖石的動(dòng)泊松比和彈性模量( 孟召平等，2006) 。一般可認(rèn)為靜泊松比和動(dòng)泊松比相等。

式中，μd為動(dòng)泊松比; Vs為橫波波速; Vp為縱波波速; ρ 為巖體密度; Ed為動(dòng)彈性模量; Es為靜彈性模量。

綜合以上分析，得到的部分巖石力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 測(cè)量段巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mass parameters of measurement section

2.2 巖體Hoek-Brown 參數(shù)

本文采用基于GSI( 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)) 法的Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則( 2002 版) 確定。計(jì)算公式為:

式中，mb，a 為針對(duì)不同巖體的無(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)參數(shù); s反映巖體破碎程度; D 為擾動(dòng)參數(shù); GSI 為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo); mi為無(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反應(yīng)巖石的軟硬程度。

本文通過(guò)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)及參數(shù)綜合打分和線性擬合進(jìn)行量化( Sonmez et al.，1999) 。

利用Hoek-Brown 本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值需要的參數(shù)有彈性模量Es，泊松比μ，單軸抗壓強(qiáng)度σc，密度ρ 以及Hoek-Brown 準(zhǔn)則中的mb、s、a。利用TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)先得到前方巖體的宏觀破碎程度，再對(duì)掌子面巖體進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，得到其結(jié)構(gòu)面具體信息，綜合這些信息得到巖體的Hoek-Brown 參數(shù)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和后期處理得到的TGP 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖( 圖2) ，圖2a 為縱橫波繞射偏移圖，及其對(duì)應(yīng)的反射幅度比( ADV) 曲線與波軸相似度( SMC) 曲線，反射幅度比( ADV) 指的是回波反射幅度與選中的前行波幅度之比，比值越大，表示回波反射越強(qiáng)。反射幅度比曲線越平穩(wěn)，表示該段巖體越均勻，由圖可知前方巖體質(zhì)量變化不均，和其結(jié)構(gòu)面發(fā)育有關(guān); 圖2b 為反射界面俯視側(cè)視圖，由圖可知巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，傾角大; 圖2c 為比速度及其對(duì)應(yīng)的反射極性符號(hào)圖，表示前方巖體縱波和橫波傳播速度的比值，速度有一定波動(dòng)。

從綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖可知: ( 1) 隧道掌子面前方100 m 范圍內(nèi)有4 個(gè)顯著縱波反射界面、3 個(gè)顯著橫波反射界面; ( 2) 反射界面與隧道中線夾角約80°，傾角50°～90°; ( 3) 縱波比速度在K41+844至K41+864 段明顯降低; 橫波比速度在K41+806至K41+828 段有所增大。隧道的繞射斷面切片成像圖( 圖3) ，掌子面前方圍巖破碎程度較高，存在多個(gè)地質(zhì)分界面，巖石連續(xù)性較差，適于采用Hoek-Brown 準(zhǔn)則。圍巖破碎程度比較一致，故以掌子面巖體的Hoek-Brown 參數(shù)作為整個(gè)研究段的參數(shù)。

通過(guò)對(duì)掌子面( 圖4) 附近開(kāi)挖段進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，充分了解巖體施工擾動(dòng)情況和結(jié)構(gòu)面信息。

由掌子面巖體的信息可知，白云巖為中風(fēng)化，不連續(xù)面十分粗糙，體積分布率為9.7 面·m－3。充填物厚度小于5 mm，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)為43( Sonmez et al.，1999; 朱合華等，2013) 。

反映巖石軟硬程度的mi為無(wú)量綱參數(shù)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取白云巖mi為9( Hoek et al.，1997; Marinos et al.，2001; 朱合華等，2013) ; 現(xiàn)場(chǎng)采用爆破法施工，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取擾動(dòng)參數(shù)D 值為1。

將以上數(shù)據(jù)代入式( 4) 得到巖體的mb、s、a，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料和經(jīng)驗(yàn)可以確定灰?guī)r的參數(shù)。綜上所述，巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)如表2，Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)見(jiàn)表3。

2.3 巖體數(shù)值計(jì)算參數(shù)確定

根據(jù)以上調(diào)查研究資料，并結(jié)合公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則和隧道設(shè)計(jì)得到整個(gè)巖體用于數(shù)值模擬的巖體參數(shù)( 表4) 和支護(hù)結(jié)構(gòu)單元參數(shù)( 表5) 。

圖2 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)成果Fig. 2 Comprehensive geological forecast results

圖3 縱波繞射三維空間橫斷面掃描Fig. 3 Longitudinal wave diffraction scanning in 3D space

圖4 掌子面巖體Fig. 4 Tunnel face rock mass

表2 巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)Table 2 Parameters of rock mass discontinuties

表3 Hoek-Brown 參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass

3 隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬

通過(guò)隧道前期勘察資料的整理和TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果以及施工現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)、節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)確定了隧道圍巖的Hoek－Brown 參數(shù)，據(jù)此對(duì)隧道模擬開(kāi)挖。將數(shù)值模擬得到的圍巖變形與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)以掌子面圍巖調(diào)查和TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)得到圍巖參數(shù)進(jìn)行模擬開(kāi)挖的結(jié)果是否準(zhǔn)確進(jìn)行判斷，以達(dá)到評(píng)價(jià)此方法的作用。并利用模擬開(kāi)挖得到的圍巖穩(wěn)定性分析可以對(duì)后續(xù)的隧道開(kāi)挖和支護(hù)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

利用地形圖在FLAC3D中建立研究區(qū)域三維模型，研究區(qū)域內(nèi)地層從上到下主要為灰?guī)r、白云巖。計(jì)算模型寬度為590 m，長(zhǎng)度為719 m，縱深368 m( 圖5) 。巖體采用4 節(jié)點(diǎn)四面體、5 節(jié)點(diǎn)金字塔、6節(jié)點(diǎn)三棱柱、8 節(jié)點(diǎn)六面體模擬，襯砌采用實(shí)體單元模擬，計(jì)算模型共劃分了286 407 個(gè)單元，208 585個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 模型整體Fig. 5 The overall model

圖6 雙臺(tái)階法開(kāi)挖工序( 單位:cm)Fig. 6 Double step excavation process( unit: cm)

表4 計(jì)算參數(shù)Table 4 Material parameters

表5 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)Table 5 Structural element parameters

3.2 邊界條件及開(kāi)挖工序

地表設(shè)置為自由邊界，四周和底面設(shè)置為固定約束。雙臺(tái)階法的開(kāi)挖工序如圖6 所示，首先開(kāi)挖上臺(tái)階①并施做初襯; 下臺(tái)階②的開(kāi)挖滯后于上臺(tái)階約60 m，開(kāi)挖后施做初襯。最后對(duì)整個(gè)開(kāi)挖段做二襯。圖中的黑點(diǎn)為數(shù)值模擬時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置位置。整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程分為一個(gè)初始平衡步和25 個(gè)開(kāi)挖步，每步進(jìn)尺30 m。

3.3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.3.1 圍巖塑性區(qū)

隧道開(kāi)挖后的圍巖塑性區(qū)分布( 圖7) 。由圖可知，隧道開(kāi)挖完成后，塑性區(qū)主要分布于隧道兩側(cè)，拱頂無(wú)塑性區(qū)，拱腰塑性區(qū)有連通現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)并勤監(jiān)測(cè)以防止圍巖失穩(wěn)。圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.2 圍巖豎向變形

隧道開(kāi)挖后的圍巖豎向位移分布( 圖8) ，開(kāi)挖完成后，右側(cè)隧道拱頂、拱底和左側(cè)拱頂圍巖的最大變形量約為10 mm。左側(cè)隧道拱底圍巖變形量稍小，約為8 mm。變形均滿足規(guī)范沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.3 圍巖水平變形

隧道施工過(guò)程中主要水平變形域發(fā)生在洞室以上范圍內(nèi)的圍巖中，水平影響范圍大約有2 倍洞徑～3 倍洞徑，豎直影響范圍3 倍洞徑～4 倍洞徑，隧道底部以下影響范圍約為2 倍洞徑～3 倍洞徑。伴隨隧道不斷掘進(jìn)，圍巖水平變形逐漸增大。開(kāi)挖后的位移分布云圖( 圖9) ，右隧道右側(cè)圍巖水平變形量為－9 mm 左右，左側(cè)圍巖水平變形量為8 mm左右。左隧道右側(cè)圍巖水平變形量為－8 mm 左右，左側(cè)圍巖水平變形量為7 mm 左右。隧道水平變形都表現(xiàn)為收斂，由于偏壓作用，隧道左右變形量不對(duì)稱(chēng)，隧道深埋側(cè)圍巖變形大于淺埋側(cè)圍巖變形，但均滿足規(guī)范沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 塑性區(qū)分布Fig. 7 Plastic zone distribution

圖8 豎向位移分布Fig. 8 Vertical displacement distribution

圖9 水平位移分布Fig. 9 Horizontal displacement distribution

綜合以上分析可知，圍巖在既定的開(kāi)挖方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)研究區(qū)域巖體可以按照設(shè)計(jì)的開(kāi)挖方式和支護(hù)條件進(jìn)行掘進(jìn)工作。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，通過(guò)在模型中100 m 長(zhǎng)度內(nèi)左右兩隧道選取14 個(gè)截面，每個(gè)截面上各布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)( 圖10) ，得到了隧道研究區(qū)域14 組圍巖收斂數(shù)據(jù)。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 10 Arrangement of monitoring points

數(shù)值模擬得到的研究區(qū)域圍巖收斂最大值為15.2 mm，最小值為6.9 mm，平均值為10.75 mm;實(shí)際監(jiān)測(cè)圍巖收斂最大值為12.4 mm，最小值為7 mm，平均值為10.66 mm。這14 組數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)圍巖收斂數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖11。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比Fig. 11 Displacement comparison of monitoring

從研究區(qū)段的圍巖收斂實(shí)際監(jiān)測(cè)值和數(shù)值模擬值對(duì)比可知，數(shù)值模擬得到的圍巖收斂稍大于實(shí)際監(jiān)測(cè)收斂值，這可能是由于數(shù)值模擬本身的誤差和模擬開(kāi)挖時(shí)一次開(kāi)挖進(jìn)尺較大，圍巖暴露時(shí)間較長(zhǎng)引起的，但結(jié)果本身還是屬于比較接近的，且數(shù)值模擬得到的位移與實(shí)測(cè)位移兩者之間各點(diǎn)的相對(duì)位移趨勢(shì)比較相似，因而可以判定此次數(shù)值模擬是比較成功的，即基于Hoek－Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則的隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性分析方法是比較實(shí)用的，能夠得到較為接近實(shí)際的模擬結(jié)果。

對(duì)于后續(xù)未開(kāi)挖段圍巖的穩(wěn)定性分析也可以采用此方法，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和掌子面調(diào)查得到未開(kāi)挖段的巖體參數(shù)，并利用數(shù)值模擬進(jìn)行穩(wěn)定性分析，進(jìn)而判斷在既定開(kāi)挖方法和支護(hù)方案下圍巖開(kāi)挖后是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果不穩(wěn)定則應(yīng)告知施工方應(yīng)采取超前注漿、加強(qiáng)支護(hù)等措施，以保證施工安全。

4 結(jié) 論

( 1) 通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以了解掌子面前方的不良地質(zhì)情況、巖體破碎程度，結(jié)合掌子面調(diào)查得到Hoek-Brown 模型的參數(shù)。

(2) 利用得到參數(shù)和設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)可以對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，并得到圍巖在既定的開(kāi)挖方式和支護(hù)條件下開(kāi)挖后的穩(wěn)定性。

(3) 利用數(shù)值模擬得到的圍巖穩(wěn)定性分析可以對(duì)未隧道開(kāi)挖的工作進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)于開(kāi)挖后容易發(fā)生失穩(wěn)的巖體加強(qiáng)支護(hù)，以保證開(kāi)挖工作安全順利進(jìn)行。