袁鴻鵠，謝文杰，李宏恩

(1.北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京 100048；2.北京市水科學技術研究院，北京 100048；3.南京水利科學研究院，南京 210029)

圍巖穩(wěn)定分析是隧洞工程設計的重要研究課題，山區(qū)綜合管廊施工期圍巖穩(wěn)定分析對山區(qū)綜合管廊設計施工意義重大。

目前關于圍巖穩(wěn)定分析主要圍繞隧洞工程、地下廠房、隧道工程進行。鄭穎人等[1]提出隧洞穩(wěn)定性分析存在的問題及其設計理念與方法，彈塑性力學為依據(jù)提出3種極限分析方法，指出采用數(shù)值極限方法是解決隧道設計問題的必由之路，舉例說明三種極限分析方法的可信性及其在隧道工 程中應用的可行性；曾繼坤等[2]以周寧抽水蓄能電站地下廠房洞室群為依托，從巖體地質條件及洞室布置實際出發(fā)，按照施工組織設計需要擬定分層開挖及支護方案，對地下洞室群建立三維模型，采用彈塑性有限元法進行數(shù)值計算，研究設計方案下圍巖的穩(wěn)定性以及支護措施有效性；杜俊等[3]針對淺埋軟弱圍巖隧道，基于強度折減理論利用數(shù)值分析方法建立了掌子面穩(wěn)定性判別流程，分析了隧道掌子面失穩(wěn)判據(jù)，結合嘉禾園地下通道工程，研究了掌子面穩(wěn)定性控制對策；韓前龍等[4]為研究測值異常點的原因，并評價洞室的安全穩(wěn)定性，結合運行期安全監(jiān)測資料和地質特性，對地下廠房圍巖穩(wěn)定進行了系統(tǒng)的反演分析；肖明清等[5]為定量評價隧道圍巖的穩(wěn)定性并指導支護設計，提出了隧道臨界穩(wěn)定斷面的概念及基于臨界穩(wěn)定斷面的隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法；文海家等[6]將數(shù)值模擬試驗、支持向量機(SVM)和GIS技術相結合，提出一種GIS-SVM聯(lián)合的隧道全程圍巖穩(wěn)定性可視化預測評價的新方法；趙健倉等[7]在三維數(shù)值分析的基礎上結合前坪水庫泄洪洞圍巖應力監(jiān)測確定圍巖應力及最大應力分布位置，確定圍巖初期支護后應力平衡時間，為經濟合理地實施二次混凝土襯砌提供依據(jù)；蔡美峰[8]介紹了地應力對采礦工程荷載作用方式的特殊性，闡述了地應力控制采礦開挖過程和巖層穩(wěn)定性的力學機理；唐曉松等[9]將有限元強度折減法用于隧道施工穩(wěn)定分析與控制中，提出基于圍巖安全系數(shù)進行施工階段圍巖穩(wěn)定性全過程的動態(tài)評價，并通過隧道洞周圍巖變形規(guī)律的研究，建立施工階段隧道監(jiān)控量測的動態(tài)控制指標；孫振宇等[10]在對40座隧道與地下工程圍巖全過程變形進行收集和整理的基礎上，系統(tǒng)分析了隧道圍巖全過程變形及其關鍵節(jié)點、圍巖變形速率與變形加速度分布規(guī)律與影響因素；張頔等[11]在主廠房初期開挖結束之后，綜合圍巖變形多點位移計監(jiān)測、圍巖裂隙鉆孔成像觀測、地下廠房開挖過程數(shù)值仿真和煌斑巖脈對局部洞段變形影響的3DEC模擬等手段，提出基于圍巖松動圈與廠房截面面積的洞室穩(wěn)定性評價方法，對圍巖變形破裂特征及其穩(wěn)定性開展深入研究。

目前業(yè)界，圍巖穩(wěn)定研究大部分集中在隧洞工程、地下廠房、隧道工程，針對山嶺綜合管廊工程施工期圍巖穩(wěn)定方面的研究較少。為此，本文以冬奧會綜合管廊DK6+180斷面為背景，利用反演得出的圍巖變形模量進行圍巖穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

2022年冬奧會延慶賽區(qū)外圍配套綜合管廊全長7.9 km，樁號范圍K5+983.000～K6+457.678段，洞軸線長度約474 m，最大埋深約148 m，采用暗挖鉆爆成洞，管廊縱斷面如圖1所示[12-13]。

圖1 綜合管廊縱斷面圖Fig.1 Longitudinal section of integrated pipe gallery

樁號K6+180開挖橫斷面如圖2所示。地下水與管廊中心垂直距離為50 m，管廊中心到地表距離為100 m，圍巖類別為Ⅲa.

圖2 主洞管廊K6+180開挖支護橫斷圖Fig.2 Cross-section diagram of excavation support of main tunnel gallery K6+180

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 強度折減方案設置

采用有限差分方法進行模擬分析。圍巖強度參數(shù)初始值選用Ⅲa的平均值，對圍巖強度參數(shù)進行折減，折減系數(shù)從1開始，每次增加0.5，折減方案如表1所示。

表1 圍巖強度折減方案Table 1 Reduction scheme of Surrounding rock strength

2.2 計算模型及參數(shù)

管廊襯砌和注漿圈模型如圖3所示，所建計算模型的網格模型圖如圖4所示。根據(jù)斷面周長相等，管廊等效為毛洞半徑為3.6 m的圓形斷面。

圖3 管廊襯砌和圍巖模型Fig.3 Pipe gallery lining and surrounding rock model

圖4 計算網格模型Fig.4 Computational grid model

模型長度取200 m，深度取200 m，X軸為模型長度方向，Z軸為模型深度方向，垂直向上方向為Z軸正方向，共劃分單元16 736個，節(jié)點33 834個。

地下水與管廊中心垂直距離為40 m，管廊中心到地表距離為100 m.

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)工程勘察報告及初步設計報告[12-13]，計算參數(shù)如表2所示。圍巖彈性模量參數(shù)根據(jù)反演分析確定為3.5 GPa.

表2 材料的物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of materials

2.4 邊界條件及結構荷載

模型側面和底面為位移邊界，模型兩側位移邊界約束水平移動；底部邊界為固定邊界，約束其水平移動和垂直移動。模型上邊界為地表，為自由邊界。

初始地下水孔隙水壓力場按最高地下靜水位埋深50 m計算。左邊界、右邊界、地表為定水頭邊界； 底邊界為不透水邊界；管廊內壁為定水頭邊界，邊界孔隙水壓力為0.

3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 變形分析

圍巖豎向位移、水平位移分布圖如圖5、圖6所示，圍巖變形計算值如表3，圖7、圖8所示。

圖6 圍巖水平位移分布圖/mFig.6 Horizontal displacement distribution map of surrounding rock/m

圖7 拱頂沉降與折減系數(shù)的關系曲線Fig.7 Relationship curve between vault settlement and reduction coefficient

由圖5-圖8，表3可以看出，管廊開挖后，各方案下圍巖變形規(guī)律相同，即：圍巖發(fā)生向管廊內的徑向位移，最大沉降的位置在拱頂中部，圍巖最大隆起量的位置在拱底中部；管廊兩側壁圍巖位移呈現(xiàn)對稱分布，最大水平位移位置在管廊側壁中部。

圖8 凈空收斂與折減系數(shù)的關系曲線Fig.8 Relationship curve between clearance convergence and reduction coefficient

表3 圍巖垂直位移和水平位移表Table 3 Table of vertical and horizontal displacement of surrounding rock mm

圖5 圍巖垂直位移分布圖Fig.5 Vertical displacement distribution map of surrounding rock

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料，樁號6180主洞內拱頂沉降為4.84 mm，樁號6180主洞內凈空收斂為3.39 mm、3.05 mm[14].變形監(jiān)測值與折減系數(shù)為1的數(shù)值模擬計算值對比可知，用圍巖變形模量3.5 GPa進行模擬計算能夠反映實際變形情況。

圍巖垂直位移和水平位移數(shù)值不同。隨著折減系數(shù)的增加，圍巖強度參數(shù)逐漸減小，拱頂沉降和凈空收斂都逐漸增大；安全系數(shù)達到3.5時，拱頂沉降和凈空收斂顯著增大，通過變形可判定圍巖穩(wěn)定的安全系數(shù)為3.5.

3.2 應力分析

圍巖最大主應力、最小主應力分布圖如圖9、10所示。

由圖9、10可以看出，管廊開挖后，圍巖最大主應力沿管廊軸線呈漏斗型分布，拱頂和拱底均出現(xiàn)拉應力，隨著折減系數(shù)的增長，拉應力數(shù)值上沒有明顯的線性變化規(guī)律；圍巖最小主應力也呈現(xiàn)對稱分布，供腰壓應力最大，隨著折減系數(shù)的增大，最大壓應力逐漸減小。

圖9 圍巖最大主應力分布圖Fig.9 Maximum principal stress of surrounding rock

3.3 塑性區(qū)分析

塑性區(qū)分布如圖11所示，塑性區(qū)范圍如表4所示。

由圖11、表4可知，隨著折減系數(shù)的增加，圍巖塑性區(qū)范圍線性增加，塑性區(qū)主要發(fā)生從管廊內側沿45°方向擴散。折減系數(shù)達到3.25，塑性區(qū)范圍離地面8 m，由表4可知，此時圍巖拱頂沉降為203.25 mm、凈空收斂為386.4 mm，說明圍巖還未達到極限穩(wěn)定狀態(tài)；折減系數(shù)增加到3.5時，塑性區(qū)已經貫通到地表，此時圍巖拱頂沉降和凈空收斂都無限大，說明圍巖已經達到極限穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 塑性區(qū)分布圖Fig.11 Distribution of plastic zone

圖10 圍巖最小主應力分布圖Fig.10 Minimum principal stress of surrounding rock

表4 圍巖塑性區(qū)范圍表Table 4 Table of plastic zone range of surrounding rock m

綜合圍巖塑性區(qū)分布和圍巖變形計算分析結果，判定此斷面圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)為3.5.

4 結論

本文以冬奧會綜合管廊DK6+180斷面為背景，利用反演得出的圍巖變形模量進行圍巖穩(wěn)定性分析，由以上分析可得出結論如下：

1) 隨著折減系數(shù)的增加，圍巖強度參數(shù)逐漸減小，拱頂沉降和凈空收斂都逐漸增大；折減系數(shù)達到3.5時，拱頂沉降和凈空收斂顯著增大，通過變形可判定圍巖穩(wěn)定的安全系數(shù)為3.5.

2) 隨著折減系數(shù)的增加，圍巖塑性區(qū)范圍線性增加，塑性區(qū)主要沿管廊內側45°方向擴散。折減系數(shù)增加到3.5時，塑性區(qū)已經貫通到地表，此時圍巖拱頂沉降和凈空收斂都無限大，說明圍巖已經達到極限穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 綜合圍巖塑性區(qū)分布和圍巖變形計算分析結果，綜合判定此斷面圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)為3.5.