魯軍紀(jì)， 程 鑫， 閆小兵， 趙培東

（1.湖南漣邵建設(shè)工程（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410001； 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

作為地下重要構(gòu)筑物，隧道在保護(hù)自然環(huán)境、提高運(yùn)輸能力以及加大空間利用率方面發(fā)揮著重要作用［1-5］。 隨著時(shí)代不斷發(fā)展，隧道工程項(xiàng)目增加，施工條件也日漸復(fù)雜，尤其當(dāng)隧道穿過富水土體時(shí)，人為破壞原有地下水滲流，會造成地下水以滴流、股流以及大范圍突水等形式向外排出，不僅會增加隧道施工難度，還會影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 因此，研究富水條件下隧道穩(wěn)定性對提高施工效率和保障隧道安全具有重要作用。

目前，諸多學(xué)者分別從地質(zhì)結(jié)構(gòu)、降水強(qiáng)度、支護(hù)方式等角度研究了富水隧道穩(wěn)定性影響因素［5-12］，并據(jù)此提出了相應(yīng)的隧道涌水治理措施。 但已有研究較少從開挖方式角度對富水隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析。 臺階法作為隧道施工的常用方法，在多種工況條件下應(yīng)用廣泛，臺階步距的選擇是影響施工效率和安全的重要環(huán)節(jié)。 本文以四川小麻柳尾礦庫主隧道工程為例，構(gòu)建三維數(shù)字模型模擬施工過程，綜合滲流場、位移場、應(yīng)力場以及塑性區(qū)等計(jì)算結(jié)果分析不同步距條件下臺階法開挖對富水隧道穩(wěn)定性的影響，以期為類似工程項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

小麻柳尾礦庫地處四川省西昌市太和鎮(zhèn)安寧河西岸小麻柳沖溝，初期壩壩址距安寧河西岸約1 800 m。尾礦庫原始形態(tài)西、北、南三面環(huán)山，總體地勢由西向東傾斜，庫區(qū)上游谷地區(qū)域由東西向及北東向兩條支溝組成，初期壩位于兩溝東側(cè)交匯處，庫區(qū)內(nèi)地表分水嶺北面標(biāo)高1 650～1 850 m、南面標(biāo)高1 660～1 840 m、溝底標(biāo)高1 559～1 563 m，地表地形最大高差超過300 m。

尾礦庫截排洪主隧道全長2 377 m，其中壓坡段、加高段及漸變段長80 m，暗挖隧道洞身段長2 295 m，隧道上游標(biāo)高1 661.333 m、下游出水口標(biāo)高1 596.5 m，庫區(qū)內(nèi)隧道總長度為628.812 m，洞身段采用圓拱直墻式斷面。 根據(jù)圍巖條件進(jìn)行分類，選取主隧道段K2 ＋234.00～＋139.00 m 進(jìn)行研究，該段為Ⅳ級圍巖條件，隧道埋深94.903 ～113.380 m，上覆圍巖主要為第四系下更新二期冰磧層為主的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。 由地層勘探結(jié)果可知，隧道上覆巖層自上而下可分為：①礫砂土層，厚度約10 m；②中、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，土層厚40 m左右；③地表埋深50 m 以下圍巖以冰磧層為主，其內(nèi)部以冰川融水為主要應(yīng)力，旁側(cè)含透水巖層。 主隧道K2 ＋234.00～＋139.00 m 段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育較好，巖體整體較為破碎，沿?cái)嗔褞纬蓸?gòu)造裂隙透水通道，匯集較豐富的地下水，成為富水性良好的含水層。 主隧道K2 ＋234.00～＋139.00 m 段地層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 地層結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值模擬分析

臺階法按步距不同可劃分為長臺階法、短臺階法以及微臺階法。 為研究不同開挖方式對隧道穩(wěn)定性的影響，分別模擬不同臺階長度條件下隧道開挖過程，根據(jù)施工后滲流場、應(yīng)力場、位移場以及塑性區(qū)狀況評估施工效果。

2.1 三維數(shù)字模型

根據(jù)小麻柳尾礦庫主隧道K2 ＋234.00～＋139.00 m段地形情況及圖1 構(gòu)建三維數(shù)字模型，為降低邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，考慮圣維南原理，模型左右側(cè)及底部均取5 倍開挖尺寸，開挖長度約95 m，整個(gè)模型尺寸為66 m×95 m×130 m，模型單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為482 605 和265 493。 模型示意圖見圖2。

圖2 模型示意圖

2.2 邊界條件及材料參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際情況，對各土層參數(shù)賦予摩爾-庫倫本構(gòu)模型，忽略土體斷層影響，隧道開挖后以錨網(wǎng)噴砼＋錨桿進(jìn)行初期支護(hù)，分別以彈性本構(gòu)模型及錨結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，二次襯砌支護(hù)以彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。各土層結(jié)構(gòu)中，中、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖及冰磧層為導(dǎo)水土層，其中冰磧層內(nèi)匯聚較豐富地下水，以各向同性流體材料進(jìn)行模擬。 靜力學(xué)邊界條件為四周法相位移約束、底部位移全約束、頂部為自由面；滲流場邊界條件為四周及底部邊界均為不透水邊界，頂面無水，初期支護(hù)及二次襯砌支護(hù)均為不透水材料，開挖面處自然排水。

為合理確定圍巖力學(xué)參數(shù)，提高數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，從施工現(xiàn)場進(jìn)行取樣，將其加工打磨成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行三軸及直剪等試驗(yàn)，測定圍巖及支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.3 模擬施工步驟

模型開挖方式為上下臺階法，開挖循環(huán)為5 m，單次施工前需進(jìn)行排水處理，進(jìn)行自然滲流，滲流時(shí)間為12 h；排水完畢后進(jìn)行施工，開挖后即刻進(jìn)行錨網(wǎng)噴砼＋錨桿初期支護(hù)，噴砼厚度0.25 m，錨桿長度3 m，直墻隧道上部錨桿間距0.85 m、下部錨桿間距1.0 m；待初期開挖支護(hù)應(yīng)力平衡后，再進(jìn)行下一循環(huán)施工作業(yè)，二次襯砌支護(hù)滯后4 個(gè)開挖循環(huán)，二次襯砌支護(hù)厚度0.5 m。

根據(jù)臺階法劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合隧道面開挖尺寸，分別模擬不同臺階條件下施工過程，其中長臺階法臺階長度為5 倍開挖尺寸（即30 m），短臺階法臺階長度為1.67 倍開挖尺寸（即10 m），微臺階法臺階長度為0.83倍開挖尺寸（即5 m）。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 滲流場分析

圖3 為不同臺階長度施工后冰磧層滲流場分布情況。

圖3 滲流場分布示意圖

長臺階法、短臺階法以及微臺階法僅開挖步距不同，開挖循環(huán)次數(shù)一致，且在每次開挖前都先進(jìn)行排水處理，排水時(shí)間均為12 h，故三類施工方法滲流場分布形式類似，與圖3 結(jié)果一致。 從圖3 可知，富水隧道開挖區(qū)域孔隙水壓力有所降低，孔隙水壓力等值線成漏斗形狀。 因此，在施工前對開挖區(qū)域提前進(jìn)行排水處理，能夠一定程度降低孔隙潛水對施工作業(yè)的影響，提高施工作業(yè)效率及安全性。

3.2 位移場分析

圖4 為三類施工方法隧道附近圍巖合位移云圖。

圖4 圍巖合位移云圖

由圖4 可知，富水隧道開挖后拱底位移較小，圍巖變形主要集中在拱頂及拱腰處。 由掌子面附近位移分布情況可知，添加二次襯砌后，二次襯砌區(qū)域合位移明顯降低，位移數(shù)值均小于0.05 m。 對比三類施工方式合位移數(shù)值大小可知，長臺階法施工在初期支護(hù)拱腰處合位移最大，達(dá)到0.263 m，短臺階法合位移最大處同樣位于初期支護(hù)拱腰處，數(shù)值為0.067 3 m，微臺階法施工合位移最大值為0.043 4 m。

為細(xì)化分析隧道豎向位移及側(cè)向位移分布情況，監(jiān)測沿開挖方向拱頂、拱底豎向位移及拱腰兩側(cè)側(cè)向位移，圖5 為監(jiān)測數(shù)據(jù)圖（其中拱頂及右拱腰數(shù)據(jù)取絕對值）。

圖5 施工位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖5 可知，三類方法施工隧道拱頂處位移數(shù)值較大，其次為拱腰處，拱底位移最小，與圖4 結(jié)果一致。同時(shí)，分析各類施工方法位移數(shù)據(jù)變化趨勢可知，位移大體呈周期變化規(guī)律，結(jié)合施工模擬過程可得，位移變化周期與錨桿間隔大體一致，由此可知錨桿對圍巖加固作用明顯，施工后及時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)可有效降低施工作業(yè)區(qū)域圍巖變形。 此外，分析施工位移數(shù)據(jù)可得，隧道左右拱腰處監(jiān)測點(diǎn)位移變化趨勢有所差異，主要原因在于隧道左右拱腰處監(jiān)測點(diǎn)距地表土層深度存在差異，且由于長臺階法及短臺階法施工時(shí)上下臺階施工間隔較長，拱腰處應(yīng)力釋放較為充分，左右拱腰處位移監(jiān)測曲線差異較大，微臺階法上下臺階施工循環(huán)間隔較小，應(yīng)力釋放較為緩慢，左右拱腰處位移監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較小。

由圖5 可知，三類施工方法中，長臺階法拱頂位移明顯高于拱腰及拱底，主要原因在于長臺階法施工過程中，臺階步距較長，上臺階開挖后應(yīng)力釋放充分，所產(chǎn)生拱頂位移較大，最大位移值為0.09 m。 分析長臺階法位移總體變化趨勢可得，沿開挖深度方向大于上臺階開挖步距30 m 時(shí)，隧道底部下臺階開始施工，施工作業(yè)區(qū)域增大，隧道拱頂處位移也逐漸開始增加。 短臺階法施工臺階步距較短，隧道拱頂位移與拱腰及拱底位移差異較小，沿開挖深度方向超過開挖步距10 m 時(shí)，開挖面增大，隧道周邊圍巖變形隨之增加，拱頂最大沉降為0.05 m。 微臺階法由于超前步距最小，施工作業(yè)對圍巖影響最小，拱頂位移與拱腰、拱底位移數(shù)據(jù)相近，拱頂沉降最大值位于洞口處，最大值為0.028 2 m。

3.3 應(yīng)力場分析

圖6 為施工后監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)圖（拱頂數(shù)據(jù)取絕對值）。

圖6 施工應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖6 可知，三類臺階法施工應(yīng)力分布形式類似，拱頂及拱腰應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)較小，不超過4 MPa，拱底應(yīng)力較大，應(yīng)力最大值超過18 MPa，且在隧道洞口段及出口段應(yīng)力值較大，隧道中間部分應(yīng)力值較小。 由工程實(shí)際情況可知，隧道埋深約100 m，埋深較淺，施工作業(yè)區(qū)域豎向應(yīng)力較大、側(cè)向應(yīng)力較小，拱腰處應(yīng)力數(shù)據(jù)較小。 采用臺階法開挖，由于上臺階隧道超前作業(yè)，應(yīng)力釋放較為充分，拱頂處監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)較小，下臺階滯后開挖應(yīng)力較為集中，拱底處應(yīng)力值較大。 受邊界條件影響，隧道在洞口段及出口段應(yīng)力較為集中，施工至隧道出口段時(shí)部分應(yīng)力已釋放，隧道出口段拱底應(yīng)力監(jiān)測值小于隧道洞口段應(yīng)力值。

3.4 塑性區(qū)分析

圖7 為三類臺階法施工作業(yè)后塑性區(qū)分布情況。

圖7 塑性區(qū)分布示意圖

由圖7 可得，三類施工方式塑性區(qū)分布狀況類似，在隧道右側(cè)區(qū)域均產(chǎn)生了剪切破壞區(qū)域。 分析可知，施工作業(yè)區(qū)域隧道左右側(cè)圍巖埋深存在差異，結(jié)合圖5，隧道右拱腰處位移變形量較大，在隧道右側(cè)圍巖區(qū)域會形成剪切破壞區(qū)域。 相較于長臺階法，短臺階法以及微臺階法上下臺階循環(huán)間隔較小，應(yīng)力釋放不夠充分，故會形成更多的剪切破壞區(qū)。

4 臺階法施工效果綜合分析

綜合各臺階法施工作業(yè)后位移場、應(yīng)力場及塑性區(qū)等因素影響，以豎向位移、側(cè)向位移、豎向應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力、剪切破壞區(qū)以及拉伸破壞區(qū)體積等因素作為評價(jià)指標(biāo)，以CRITIC 算法計(jì)算上述各因素指標(biāo)權(quán)重。表2 為各施工方案初始數(shù)據(jù)。

表2 各施工方案初始評價(jià)數(shù)據(jù)

分析可知，三類臺階法施工后滲流場及應(yīng)力場分析形式相似，其中微臺階法施工后隧道附近圍巖變形較小，但隧道右側(cè)產(chǎn)生了較大的剪切破壞區(qū)。

由于各評價(jià)指標(biāo)因素量綱存在差異，為消除量綱影響，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。 表3 為表2 數(shù)據(jù)歸一化處理后各評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)。 根據(jù)歸一化數(shù)據(jù)，采用CRITIC 算法對其進(jìn)行分析，計(jì)算各因素評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表4。

表3 評價(jià)指標(biāo)歸一化數(shù)據(jù)

表4 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

由表3 及表4 可分別計(jì)算三類臺階法施工方案綜合得分。 上述評價(jià)指標(biāo)均為逆向指標(biāo)，綜合評分越低，表明該類施工方案適用性越高。 根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算各方案指標(biāo)數(shù)據(jù)與權(quán)重乘積，并加以求和，長臺階法、短臺階法以及微臺階法綜合得分分別為：0.511 4，0.518 9，0.490 8。 在上述三類施工方案中，微臺階法最適于此條件下隧道施工；其次為長臺階法，長臺階法施工隧道能夠使圍巖應(yīng)力得到較為充分釋放，所產(chǎn)生塑性區(qū)較??；短臺階法施工效果較差，施工后豎向應(yīng)力較大，且施工后塑性區(qū)體積較大。

按上述分析結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際施工過程，實(shí)際施工過程中采用微臺階法施工隧道，支護(hù)方式采用錨網(wǎng)噴砼＋錨桿進(jìn)行初期支護(hù)，襯砌進(jìn)行二次支護(hù)。 隧道施工后監(jiān)測隧道頂部及底部圍巖變形，拱頂沉降和拱底隆起值分別約3 cm 和2 cm，與上述模擬結(jié)果大致相同，滿足施工要求。

5 結(jié) 論

以小麻柳尾礦庫主隧道工程為例，選取主隧道K2＋234.00 ～＋139.00 m 段為研究對象，結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)資料，采用FLAC3D分別模擬了富水條件下不同臺階步距開挖過程，分析了隧道施工作業(yè)后滲流場、位移場、應(yīng)力場及塑性區(qū)分布情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析評價(jià)，得到適于富水隧道施工方法，具體結(jié)論為：

1） 支護(hù)作業(yè)能有效降低圍巖變形。 由隧道監(jiān)測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)可知，錨桿支護(hù)對隧道周邊圍巖變形有較大影響，其位移變化循環(huán)周期與錨桿間隔周期一致。由隧道位移云圖可知，二次襯砌支護(hù)區(qū)域變形量較小，均小于0.025 m。 因此在實(shí)際施工過程中，可通過提高錨桿數(shù)量、進(jìn)行二次襯砌支護(hù)等方式降低隧道圍巖變形。

2） 隧道開挖兩側(cè)地表高程變化顯著時(shí)，隧道開挖兩側(cè)應(yīng)力存在差異，采用對稱式支護(hù)方式時(shí)，在埋深較高一側(cè)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成較大區(qū)域剪切破壞區(qū)域，故對偏壓隧道進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)采取對應(yīng)措施減少對高應(yīng)力側(cè)圍巖的擾動。

3） 富水條件下隧道施工過程中，長臺階法產(chǎn)生位移較大，但由于上臺階超前開挖循環(huán)較長，應(yīng)力釋放較為充分，拱頂及拱底應(yīng)力值較小，拱腰側(cè)應(yīng)力值較大，產(chǎn)生塑性區(qū)體積較??；短臺階法施工位移較小，側(cè)向應(yīng)力也相對較小，但拱頂處應(yīng)力較大，塑性區(qū)體積也較大；微臺階法施工隧道附近位移最小，但側(cè)向應(yīng)力較大，在側(cè)向應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生了較大剪切破壞區(qū)域。綜合多方面因素分析，微臺階法最適于富水條件下隧道施工，其次為長臺階法，短臺階法施工效果較差。