长大深埋排水隧道在不同施工方法下围岩稳定性

覃 黎， 刘 洋， 张泽天， 曹志国， 张 凯， 张文举

(1.四川大学 a.水利水电学院；b.深地科学与工程教育部重点实验室，成都 610065；2.神华集团 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011；3.深圳大学 深地科学与绿色能源研究院,广东 深圳 518060；4.中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都 610081)

0 引 言

随着我国城市化进程的加快，城市地下空间利用率也不断提高[1]。地下建筑物日益密集和管线日益复杂拥挤，使得通过建设浅层地下排水管道来提高城市排水标准和完善截污系统变得异常困难，且代价巨大，为解决雨水、生活污水的排涝问题，未来的城市必将建设一大批长洞线、大断面、深埋藏的排水隧道工程。而深部岩体所处的应力和地质环境十分复杂，在开挖施工过程中可能出现片帮、坍塌、岩爆和片状剥落等一系列破坏现象[2-6]，影响围岩稳定。这些现象除了与岩石性质、地质构造、地应力有关外，也与施工方法、支护类型等因素有紧密联系。

在围岩稳定性分析方面，国内外许多学者展开了一系列研究。王伟锋等[7]研究了4种施工方法(全断面法、短台阶法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法)下地表沉降、隧道围岩位移和塑性区的变化规律；周宗青等[8]采用简化围岩地质条件的三维计算模型，对比分析了全断面法、上下台阶法、导洞超前开挖法下宜巴高速公路石门垭隧道的水平位移、拱顶沉降和先行位移；贾剑青等[9]应用FLAC3D应变软化模型研究了全断面施工下围岩及支护结构的稳定性；李力[10]分别采用三台阶法和CRD法开挖进行数值模拟，探索了这2种开挖方法下隧道围岩的应力、位移和塑性区的特征，研究了这两种开挖方法对隧道围岩稳定性的影响，并且得出了CRD法更适合IV级以上围岩施工的结论；徐晨[11]对隧道全断面开挖过程进行模拟，获得了开挖引起的应力、位移的时空演化规律和围岩扰动特征，并结合单孔声波测试法和UDEC离散元软件研究了米仓山隧道深埋段开挖损伤范围，为支护手段和参数的选择提供依据。

本文根据典型断面的实际地质剖面图建立三维计算模型，研究4种施工方法(全断面法、三台阶法、三台阶上导洞法、三台阶下导洞法)下隧道支护结构的安全可靠性与围岩的稳定性，并研究了围岩变形和塑形区对弹性模量、黏聚力和内摩擦角的敏感性。

1 工程背景

本文以某市深埋排水工程为研究背景，隧道总长8.6 km，埋深大多在70～80 m，最大埋深125 m，断面面积50.97 m2，属于“长、大、深”隧道(洞线长、断面大、埋藏深)。谢和平等[12]认为深部隧道，围岩大塑性变形和高能量积聚相伴而生，顶板控制、隧道维护和动力灾害防治将极为困难,对现有的开挖技术和支护技术是一个严峻挑战，因此急需研究长大深埋排水隧洞围岩稳定性。

桩号K2+260～K2+310区域围岩为IV类围岩，局部构造发育带为V类均为硬岩组成的岩洞，隧道埋深77 m。其中，素填土厚30.2 m；花岗岩残积土厚为10.6 m；强风化花岗岩厚为12.9 m；弱风化花岗岩厚为7.7 m，隧道顶部至微风化花岗岩与弱风化花岗岩的分界线15.6 m。具体工程概况如图1所示。

图1 工程剖面图

隧道采用马蹄形横断面，跨度9.03 m，高10 m，深埋排水隧道IV类围岩支护结构图如图2所示。

图2 深埋排水隧道IV类围岩支护结构图(mm)

2 数值模拟

2.1 计算模型和计算参数

本文采用FLAC3D有限差分程序对背景工程进行模拟计算。已有研究表明，对于地下洞室开挖后的应力以及应变，仅在洞室周围距离洞室中心点3～5倍的隧道开挖高度与宽度中的较大值范围内存在实际影响。本文中排水隧道的开挖高度和跨度分别为10、9.03 m。因此，数值计算模型的尺寸确定为水平及竖直边界距离开挖中心3倍的最大开挖跨度。模型在x、y、z3个方向上的尺寸分别为70、50及117 m。模型的前后左右边界约束其法向位移，底部约束z方向上的位移，顶部为自由边界。

整体计算模型如图3所示。建立数值计算模型时，考虑到计算精度，隧道附近处网格较密，远离隧道处网格较稀疏，较好地满足模型计算精度要求[13]。计算模型y方向网格长均为1 m；隧道x、z方向网格长0.7 m；围岩x方向网格长均为2 m，z方向网格从微风化黄岗岩到素填土长依次为2、3、4、5、5 m。

图3 整体模型

通过室内岩石力学试验和岩体结构面现场地质调查，可确定岩层的物理力学参数取值如表1所示。

表1 各土层及岩层物理力学参数

c为黏聚力，φ为内摩擦力

2.2 施工过程模拟

采用数值计算对全断面法、三台阶法、三台阶上导洞法及三台阶下导洞法，4种施工方法的施工过程进行模拟，主要包含以下几个步骤：①自重应力场的形成；②隧道的开挖，本文中隧道开挖进尺为3 m；③隧道支护。其中，隧道初期支护采用22 cm厚C25喷射混凝土，R25中空注浆锚杆(长3.5 m)，纵向间距为1.5 m，梅花形布置；二次衬砌采用50 cm厚C30混凝土。

计算中的锚杆采用cable单元进行模拟，喷混凝土和模筑混凝土均采用实体单元进行模拟。排水隧道混凝土衬砌的物理力学参数如表2所示。

表2 排水隧道衬砌物理力学参数

隧道施工模拟过程中，具体施工分部见图4。当模拟全断面法施工时，一次性开挖图中①、⑤部；采用三台阶法施工时，先开挖①、②部，再开挖③部，最后开挖④、⑤部，开挖的高度从上到下依次为4、3、3 m；采用三台阶上导洞法施工时，先开挖①部，再开挖②部，然后开挖③部，最后开挖④、⑤部，开挖的高度与三台阶法一致，中间导洞宽3 m；采用三台阶下导洞法施工时，先开挖⑤部，再开挖④部，然后开挖③部，最后开挖①、②部，开挖的高度与三台阶法一致，导洞宽3 m，开挖的高度从上到下依次为3、3、4 m。上述4种施工方法中，台阶法与上下导洞法的台阶长均为12 m。

图4 隧道开挖分部图(mm)

3 数值模拟结果及分析

3.1 不同施工方法应力、塑性区及位移场分析

(1) 应力场分析。全断面法、三台阶法、三台阶上导洞法以及三台阶下导洞法施工中，采用三台阶法施工时隧道初期支护、二次衬砌最大拉应力最大，值均为0.766 MPa，小于排水隧洞初期支护、二次衬砌所采用的C25、C30混凝土的极限抗拉强度2.0、2.2 MPa；采用全断面法施工时隧道初期支护、二次衬砌最大压应力最大，值分别为0.664、0.834 MPa，小于深埋排水隧洞二次衬砌所采用的C25、C30混凝土的极限抗压强度19.0、22.5 MPa(见表3)。

表3 隧道衬砌最大拉、压应力

其中，当采用全断面法施工时最大拉应力主要集中在拱顶及拱底，说明当采用该方法施工时排水隧道的拱顶及拱底处属于较易破坏的位置；而采用三台阶法、三台阶上导洞法和三台阶下导洞法施工时最大拉应力主要集中在拱底，说明当采用以上3种方法施工时排水隧道的拱底处属于较易破坏的位置。施工过程中应该及时检测相对容易破坏的位置，必要时针对易破坏位置采取一定的措施进行加固处理。

为了评价隧道结构的安全性，可以求出隧道结构的安全系数,

(1)

式中：k为结构的安全系数;eR为混凝土的极限抗压、抗拉强度，maxes为结构受到的最大拉、压应力。

根据式(1)对排水隧道衬砌抗拉、抗压进行验算，最小安全系数分别为2.87、26.98，说明隧道最大拉、压应力验算均满足要求，采用三台阶下导洞法施工对隧道的扰动最小，不同施工方法的具体安全系数见表4。

表4 隧道衬砌安全系数

(2) 塑性区分析。采用全断面法、三台阶法、三台阶上导洞法及三台阶下导洞法施工隧道塑性区大小依次为160.64、331.93、287.08、199.39 m3，具体分布见图5。采用全断面法施工时隧道塑性区最小，说明该方法对隧道的扰动最小。

(a) 全断面法

(b) 三台阶法

(c) 三台阶上导洞法

(d) 三台阶下导洞法

图5 不同施工方法下隧道塑性区分布图

(3) 位移场分析。与三台阶法、三台阶上导洞法以及三台阶下导洞法相比，采用全断面法施工隧道初期支护、围岩的最大竖向位移最小，值分别为1.76、1.95 mm；采用三台阶上导洞法施工隧道最大水平侧向位移最小，值为0.17 mm；采用全断面法开挖隧道围岩最大水平位移最小，值为0.24 mm。采用全断面法施工时隧道变形量最小。隧道最大竖向位移、水平位移分别如表5、表6所示。

分别计算隧道衬砌及围岩的竖向、水平变形安全系数：

[UV]=uH/2

(2)

[UH]=uB/2

(3)

表5 隧道最大竖向位移 mm

表6 隧道最大水平位移 mm

式中：H为隧道高度;B为隧道宽度;u为极限相对位移值;[UV]、[UH]分别为竖向、水平向允许变形。

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)，隧道埋深在50～100 m，IV类围岩的极限相对位移值u应在0.4%～1.2%(见表7)，本工程埋深为77 m，采用插值法确定极限相对位移值u取0.47%。本工程隧道高为10 m，宽为9.03 m，代入式(2)、(3)可得：[Uv]=23.50 mm,[UH]=21.22 mm。

表7 隧洞、洞室周边允许相对收敛值 %

不同施工方法下围岩的变形量(见表5、表6)远远小于《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)规定的允许变形。

3.2 敏感度分析

参照文献[14-15]中对敏感度进行定义：

(4)

式中：Sk为因素xk的敏感度，k=1，2，…，n；|ΔP/P|为系统特性的相对变化率；|Δxk/xk|为某一因素的相对变化率。

选择全断面施工方法分别对微风化花岗岩的弹性模量E、黏聚力c以及内摩擦角φ进行应力场、塑性区、位移场的敏感性分析(见表8)。每次敏感性分析只变动其中1个因素，而保持其他因素不变。

表8 对比分析方案

(1) 应力场敏感性分析。由图6可知，影响衬砌应力大小的力学参数的敏感度从大到小依次为E、c以及φ，当E的相对变化率大于0.8时，衬砌的拉应力急剧增大。

(a) 拉应力

(b) 压应力

(2) 塑性区敏感性分析。塑性区范围主要受黏聚力和内摩擦角的影响，相对变化率在0～0.6时，黏聚力对塑性区影响最大；相对变化率在0.6～0.8时，黏聚力和内摩擦角对塑性区影响相差不大；相对变化率大于0.8时，塑性区对弹性模量最敏感。相比黏聚力和内摩擦角，弹性模量对塑性区几乎没有影响(见图7)。

(3) 位移场敏感性分析。如图8所示，围岩力学参数对围岩最大竖向、水平位移影响依次为弹性模量、黏聚力以及内摩擦角，相对变化率大于0.8时，围岩最大位移急剧增大。

图7 围岩塑性区敏感度分析

(a) 最大竖向位移

(b) 最大水平位移

4 结 论

本文运用FLAC3D数值模拟软件模拟了深埋排水隧道在不同施工方法下隧道的开挖支护过程，研究了隧道衬砌的变形与应力变化，分析了不同施工方法下围岩变形，得到了以下结论：

(1) 不同施工方法下(全断面法、三台阶法、三台阶法、三台阶下导洞法)隧道的最大拉、压应力均小于C25、C30混凝土的极限抗压强度(19.0、22.5 MPa)、极限抗拉强度(2.0、2.2 MPa)，即排水隧道衬砌按抗压及抗拉验算均安全。

(2) 隧道最大拉应力主要集中在拱顶及拱底，说明排水隧道的拱顶、拱底属于较易破坏的位置，施工过程中应该及时检测，必要时采取一定的措施对拱底进行加固处理。

(3) 与三台阶法、三台阶上导洞法、三台阶下导洞法相比，隧道采用全断面法施工时围岩的竖向位移和水平位移最小，衬砌及隧道周边围岩中的应力较大。

(4) 通过参数敏感度分析，确定了本工程实际的主要影响参数和次要影响参数：衬砌应力、围岩变形对弹性模量最为敏感，其次是黏聚力，然后是内摩擦角；黏聚力和内摩擦角对塑性区影响较大，弹性模量对塑性区影响很小。