周 恒，黃旭斌，狄圣杰， 陸 希，王冬條

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司， 陜西 西安 710065)

地下隧洞的開挖使得原有的地應(yīng)力發(fā)生重分布現(xiàn)象，當(dāng)重分布的應(yīng)力超過(guò)巖土體的彈性極限狀態(tài)時(shí)將會(huì)發(fā)生進(jìn)入塑性狀態(tài)[1]，圍巖將發(fā)生塑性破壞，甚至坍塌。對(duì)于深埋軟弱圍巖，由于施工過(guò)程中處理方式的不合理，常會(huì)造成圍巖局部或者整體性的塌方，然后向上甚至沿洞軸線方向逐步擴(kuò)發(fā)展而形成新的平衡，然后塌方停止，進(jìn)而形成一定范圍的土體松動(dòng)圈域，即圍巖松動(dòng)圈[2-3]。松動(dòng)圈形成后，隧洞松動(dòng)土壓力將全部作用在襯砌上，使得圍巖的穩(wěn)定性變的更差，同時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性也遭到極大挑戰(zhàn)[4-9]。

在隧洞施工過(guò)程中，極有可能會(huì)遇到斷層破碎帶。由于破碎帶圍巖的軟弱性，在施工中容易形成松動(dòng)圈，圍巖很難自穩(wěn)，因此需要對(duì)隧洞進(jìn)行及時(shí)封閉和加強(qiáng)支護(hù)[10-11]。在現(xiàn)有的研究中，很多學(xué)者就穿越斷裂帶隧洞圍巖力學(xué)行為進(jìn)行分析研究。鄧通海等[12]就穿越大型斷裂帶引水隧洞開挖圍巖力學(xué)性能進(jìn)行了三維仿真分析，對(duì)比研究了純開挖無(wú)支護(hù)方案和開挖及時(shí)支護(hù)方案，結(jié)果表明了采用開挖及時(shí)支護(hù)方案時(shí)圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形減小，掌子面前方應(yīng)力集中現(xiàn)象也有所減弱。王達(dá)等[13]對(duì)穿越不良地質(zhì)段深埋輸水隧洞縱向變形進(jìn)行了數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明斷層破碎帶彈性模量的變化對(duì)襯砌的縱向變形有較大影響，接縫變形與螺栓應(yīng)力均隨斷層模量的減小而顯著增加。王淑娟[14]通過(guò)數(shù)值方法分析了跨斷層隧洞襯砌方面的研究，認(rèn)為隧道穿越斷層破碎帶時(shí)，襯砌的危險(xiǎn)位置主要與斷層的傾角、寬度和傾向相關(guān)。上述分析均以斷裂帶隧洞為研究對(duì)象，然而并未考慮極端破壞條件，即隧洞施工塌方造成松動(dòng)圈后對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的研究。

根據(jù)上述分析，大多數(shù)學(xué)者對(duì)跨斷裂帶隧洞的計(jì)算均未考慮圍巖出現(xiàn)松動(dòng)圈的情況，因此很難把握圍巖出現(xiàn)坍塌后形成松動(dòng)圈后的施工方式以及圍巖應(yīng)力變形規(guī)律。因此，本文首先基于物探檢測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了假定，并建立了隧洞-圍巖-松動(dòng)圈三維計(jì)算模型，分析了有松動(dòng)圈存在條件下隧洞開挖應(yīng)力、變形和塑性區(qū)變化規(guī)律，以期為斷裂帶圍巖坍塌形成松動(dòng)圈后隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)提供合理的建議。

1 工程地質(zhì)條件

哈密抽水蓄能電站通風(fēng)兼安全洞總長(zhǎng)1 114 m，沿線整體坡降為7.9%，隧洞斷面為城門洞型，開挖寬度×高度為8.50 m×8.25 m，如圖1所示。隧洞整體呈南北走向，而斷裂帶呈東西走向，因此隧洞不可避免的穿越斷裂帶。通風(fēng)兼安全洞段斷裂帶起始樁號(hào)為0+624.00，終點(diǎn)樁號(hào)為0+764.00，斷裂帶總長(zhǎng)為140 m。斷裂帶內(nèi)充填擠壓碎塊巖、擠壓片狀巖、斷層泥、糜棱巖、巖屑及巖粉，擠壓緊密，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，斷裂帶段圍巖類別為V類圍巖。

圖1 通風(fēng)兼安全洞斷面尺寸及支護(hù)方式示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋可知，隧洞開挖至樁號(hào)0+625時(shí)發(fā)生坍塌，坍塌后極有可能造成未開挖區(qū)域圍巖形成松動(dòng)圈，因此對(duì)通風(fēng)洞兼安全洞坍塌段周邊開展了相關(guān)的物探檢測(cè)工作，如圖2所示。從圖中可以看出，自樁號(hào)0+625起始，隧洞頂部出現(xiàn)直徑約為20 m的波速較小地帶(圖2(a))，說(shuō)明此位置可能出現(xiàn)松動(dòng)圈。圖2(b)—2(d)分別為樁號(hào)0+625、0+630和0+635斷面橫剖圖，可以看出樁號(hào)0+625松動(dòng)圈在隧洞正上方，說(shuō)明隧洞已坍塌。由于隧洞的坍塌，樁號(hào)0+630和0+635隧洞拱頂上方5 m～10 m范圍出現(xiàn)波速較小的松動(dòng)區(qū)域，因此松動(dòng)區(qū)域沿洞軸線方向可能呈傾斜式發(fā)展。

圖2 通風(fēng)兼安全洞物探檢測(cè)結(jié)果

2 模型及參數(shù)選取

由于圍巖松動(dòng)圈的存在，全斷面一次性開挖可能導(dǎo)致隧洞圍巖二次坍塌，因此施工過(guò)程中首先采用超前小導(dǎo)管和超前大管棚注漿，形成強(qiáng)度后進(jìn)行開挖，開挖后采用鋼支撐加噴錨聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)，鋼支撐采用I18工字鋼，沿洞軸線方向間隔0.5 m布置，錨桿采用HRB400鋼筋，長(zhǎng)為4.5 m，梅花型布置?？紤]到坍塌段圍巖自穩(wěn)能力極差，因此開挖方式采用上、下兩半層的開挖方式，兩半層開挖高度分別為4.00 m和4.25 m，上、下半層開挖進(jìn)尺均為5 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖支護(hù)順序，首先進(jìn)行上半層開挖，上半層開挖進(jìn)尺30 m后方可開挖下半層，支護(hù)方式采用及時(shí)支護(hù)的方法。選取樁號(hào)0+630典型斷面(松動(dòng)圈最大高度處)及沿洞軸線方向縱剖圖，分析拱頂中心、拱肩和邊墻中心的徑向應(yīng)力、徑向變形及塑性區(qū)分布。

模型沿洞軸線方向長(zhǎng)度為30 m，計(jì)算范圍取開挖區(qū)域10倍高度(寬度)。模型中x方向?yàn)樗矶炊摧S線方向，y方向?yàn)榇怪庇诙摧S線方向，z方向?yàn)榇怪狈较?。模型共劃分網(wǎng)格218 130個(gè)，節(jié)點(diǎn)230 516個(gè)，如圖3所示。模型邊界條件為四個(gè)側(cè)面約束法向位移，底部為全約束，頂部按照實(shí)際隧洞埋深施加相應(yīng)面荷載。初始地應(yīng)力計(jì)算中由于斷裂帶處的構(gòu)造應(yīng)力容易釋放，因此僅考慮了自重應(yīng)力的作用。巖體、注漿層及噴層采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用桿單元模擬，鋼拱架采用梁?jiǎn)卧M。

圖3 計(jì)算模型示意圖

隧洞起始樁號(hào)為0+620，圍巖松動(dòng)圈位于樁號(hào)0+625—0+645，其中樁號(hào)0+625—0+630段松動(dòng)圈下邊緣與隧洞注漿層相接壤。松動(dòng)圈沿洞軸線方向長(zhǎng)度為20 m，最大高度約為18 m，如圖4所示。

圖4 圍巖松動(dòng)區(qū)域示意圖

值得注意的是，在實(shí)際工程中，由于圍巖的完整性及其潛在的節(jié)理裂隙，很難保證注漿區(qū)域的范圍大小。為了保證隧洞在實(shí)際工程開挖穩(wěn)定，因此在本文計(jì)算中將注漿層等效為開挖面外0.5 m的加固區(qū)處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)，確定了Ⅴ類圍巖、松動(dòng)圈內(nèi)巖體、加固區(qū)以及其他支護(hù)的計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 加固區(qū)、圍巖及支護(hù)措施物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖徑向應(yīng)力分析

圖5給出了隧洞開挖后拱頂中心的徑向應(yīng)力隨隧洞徑向深度的變化規(guī)律，從圖5中可以看出，上半洞開挖支護(hù)完成后，非坍塌段隧洞前端3 m內(nèi)圍巖徑向應(yīng)力隨開挖深度的增大而減小。當(dāng)開挖面接近松動(dòng)圈時(shí)，圍巖徑向應(yīng)力開始增大，說(shuō)明松動(dòng)圈對(duì)非松動(dòng)圈的徑向應(yīng)力變化有一定的影響。松動(dòng)圈開挖后，松動(dòng)圈內(nèi)近7 m的應(yīng)力波動(dòng)較大，主要是由于松動(dòng)圈前端與注漿層頂部接壤，上半洞開挖后松散圍巖材料發(fā)生的變形較大，因此作用在支護(hù)上的應(yīng)力過(guò)大。由于松動(dòng)圈沿徑向深度呈斜面，因此松動(dòng)圈7 m后圍巖徑向應(yīng)力整體上呈下降趨勢(shì)。從圖中還可以看出，下半洞開挖后松動(dòng)圈內(nèi)拱頂中心的圍巖徑向應(yīng)力變化較小，且發(fā)展規(guī)律與上半層開挖后的規(guī)律一致，說(shuō)明上半層開挖后松動(dòng)圈內(nèi)拱頂中心徑向應(yīng)力釋放基本達(dá)到穩(wěn)定，下洞開挖后對(duì)松動(dòng)圈內(nèi)拱頂中心的徑向應(yīng)力變化貢獻(xiàn)較小。

圖5 拱頂中心徑向應(yīng)力隨開挖深度變形規(guī)律

隧洞拱頂中心、拱肩及邊墻中心徑向應(yīng)力隨開挖步數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 各測(cè)點(diǎn)徑向應(yīng)力隨開挖次數(shù)變化規(guī)律

從圖6中可以看出，第二步開挖時(shí)已開挖至監(jiān)測(cè)斷面，拱頂中心的徑向應(yīng)力減小。再者，開挖后由于圍巖變形導(dǎo)致的擠密作用，拱肩和邊墻中心的應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)。開挖第二步后，拱頂中心的徑向應(yīng)力隨著開挖步數(shù)的增加變化幅度較小。開挖至第七步后，拱肩和邊墻中心的徑向應(yīng)力減小，且邊墻中心應(yīng)力的減小幅度大于拱肩應(yīng)力的減小幅度，說(shuō)明下半層的開挖對(duì)邊墻中心的影響最大，其次對(duì)拱肩位置有一定的影響，對(duì)拱頂基本沒有影響。在第九步開挖之后，各測(cè)點(diǎn)的徑向應(yīng)力基本都達(dá)到穩(wěn)定。

3.2 圍巖徑向變形分析

隧洞開挖后拱頂徑向變形量隨開挖深度的變化規(guī)律如圖7所示，從圖7可以看出，上半層開挖支護(hù)完成后，整體上拱頂變形呈拋物線型分布。其中，在非松動(dòng)圈前端，拱頂中心徑向變形隨著開挖深度的增加而增大，換言之，接近松動(dòng)圈的圍巖受到松動(dòng)圈軟弱圍巖的影響，其徑向變形也相應(yīng)的增大。在松動(dòng)圈內(nèi)，由于前5 m與注漿層相接壤，相應(yīng)的最大徑向變形量達(dá)到最大值。最大徑向變形量位置在樁號(hào)0+627，隨后隨著徑向深度的增大，徑向變形量呈減小的趨勢(shì)。下半層開挖支護(hù)完成后的徑向變形隨徑向深度的變化規(guī)律與上半層開挖支護(hù)完成后的規(guī)律基本一致，但拱頂?shù)膹较蜃冃瘟坑兴龃?，說(shuō)明下半層的開挖對(duì)拱頂?shù)膹较蜃冃斡幸欢ǖ挠绊?。非松?dòng)圈增幅約為24%，松動(dòng)圈最大徑向變形量的位置由0+627轉(zhuǎn)變?yōu)闃短?hào)為0+628，此位置的增大幅度約為8%。

圖7 拱頂中心徑向變形量隨開挖深度變化規(guī)律

隧洞拱頂中心、拱肩及邊墻中心徑向變形量隨開挖步數(shù)的變化規(guī)律如圖8。從圖8可以看出，對(duì)于拱頂中心而言，前三步的開挖對(duì)其徑向變形的影響最大，上半層后續(xù)的開挖對(duì)其徑向變形影響穩(wěn)步增大，至上半層開挖完成后，拱頂中心的變形達(dá)到3 cm左右。上半層的開挖對(duì)拱肩和邊墻中心的變形有一定的影響，主要是由于上半層開挖后，上半層臨空面的應(yīng)力得到釋放，隧洞上半部分的圍巖徑向變形向著臨空面。拱肩位置受到弧形拱頂和邊墻兩方面的影響下有一定的穩(wěn)定性，因此上半層開挖后的徑向變形較小，約為1 cm。下半層開挖后，拱頂中心和拱肩的徑向變形均開始增大，說(shuō)明下半層的開挖對(duì)已支護(hù)完成的上半層的徑向變形有一定的影響。在整個(gè)下半層開挖過(guò)程中，邊墻中心的徑向變形幅度最大，拱頂中心和拱肩徑向變形幅度相當(dāng)，略小于邊墻。

圖8 測(cè)點(diǎn)變形量隨開挖次數(shù)變化規(guī)律

整體而言，隧洞完全開挖后，監(jiān)測(cè)斷面上各點(diǎn)的徑向變形大小關(guān)系為拱頂>邊墻中心>拱肩。進(jìn)一步，根據(jù)文獻(xiàn)[15]中圍巖穩(wěn)定性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合文中隧洞尺寸及圍巖條件，確定出了隧洞圍巖穩(wěn)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，允許位移為5.1 cm～13.6 cm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隧洞拱頂中心、拱肩及邊墻中心的位移最大值分別為4.1 cm、2.1 cm和1.9 cm，均未超過(guò)允許范圍，因此可以判斷在本文提供的支護(hù)條件下隧洞開挖后可以穩(wěn)定。

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

圖9(a)給出了隧洞上半層開挖后圍巖塑性區(qū)，從圖中可以看出，上半層開挖后隧洞周邊圍巖出現(xiàn)了部分塑性破壞，且破壞主要發(fā)生在邊墻部位及未開挖區(qū)域，均為剪切破壞，此外，相比較可以看出，由于上半層開挖支護(hù)完成后，在一襯支護(hù)的作用下，拱頂周圍現(xiàn)有塑性區(qū)較小。圖9(b)為隧洞下半層開挖后圍巖塑性區(qū)分布，從圖中可以看出，在下半層開挖支護(hù)完成后，弧形拱頂上部基本無(wú)現(xiàn)有塑性區(qū)，塑性區(qū)主要分布在邊墻周圍以及底板位置。其中，邊墻側(cè)的塑性區(qū)范圍約為隧洞開挖寬度的1/2，與錨桿長(zhǎng)度相近，在施工中可采取加長(zhǎng)錨桿的措施以防邊墻錨桿失效；底板下部的塑性區(qū)約為開挖高度的1/3，底板塑性變形過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致底板向上隆起，因此需采取相應(yīng)措施。

圖9 隧洞開挖后圍巖塑性區(qū)云圖

4 結(jié) 論

本文以哈密抽水蓄能電站通風(fēng)兼安全洞為例，采用數(shù)值模擬分析了斷裂破碎帶圍巖松動(dòng)圈隧洞開挖支護(hù)過(guò)程中圍巖徑向應(yīng)力、 變形及塑性區(qū)變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

(1) 隧洞開挖后，徑向應(yīng)力主要集中于圍巖松動(dòng)圈前端，且隧洞下半層開挖后對(duì)拱頂圍巖壓應(yīng)力影響較小，說(shuō)明本文中提到的支護(hù)方式可以保證隧洞拱頂?shù)姆€(wěn)定性。

(2) 沿洞軸線方向拱頂徑向變形呈先增大后減小的趨勢(shì)；隧洞下半層開挖后，隧洞拱頂中心的變形最大，其次為邊墻和拱肩位置，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，本文中的支護(hù)條件下隧洞整體上可以達(dá)到穩(wěn)定。

(3) 隧洞開挖后，拱頂以上沒有塑性破壞產(chǎn)生，圍巖塑性區(qū)主要集中在側(cè)墻和底板位置，因此仍需加強(qiáng)側(cè)墻和底板的支護(hù)。