盾构法施工深埋斜井的围岩应力变形分析

储昭飞，刘保国

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)



盾构法施工深埋斜井的围岩应力变形分析

储昭飞，刘保国

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

以采用盾构法施工的神华新街台格庙矿区主斜井为研究对象，对该斜井穿越2种典型地层的施工过程进行数值分析，得到了施工过程中围岩的应力分布及变形规律.研究结果表明：随开挖的推进，围岩中的应力释放区和塑性区的分布及隧道拱顶、拱底的位移变化规律与水平隧道基本相同；开挖影响范围内，围岩的最大主应力与位移等值线均近似平行于斜井轴线，平行程度随距离斜井轴线由近至远而逐渐变弱；斜井埋深越大，表面沉降越小，且沿着斜井开挖方向成非线性分布；围岩力学性质越差，斜井开挖面的空间影响范围越大；开挖面前方影响范围大于后方，本文斜井的开挖面影响范围为其前方3倍洞径，后方4倍洞径，大于水平隧道.

斜井；盾构法；围岩；施工；变形；应力

目前，随着煤矿开采深度的加深，煤矿斜井的长度与埋深增大，采用传统的矿山法施工难度大、时间长，而借助盾构施工斜井具有相当优势.近10多年来，尽管采用盾构法施工坡度隧道成功案例已有很多[1]，但在已竣工的隧道中，隧道坡度分布在2°～40°，长度基本在2 km以内，埋深多小于100 m，且以输水和燃气等压力隧洞为主，直径较小[2].而利用盾构法施工长大深埋隧道工程仍处于探索阶段，缺乏案例支撑[3].

与水平盾构隧道相似，盾构法施工斜井过程中，围岩的变形和应力分布规律是斜井开挖前首要分析的问题.在以往研究中，张坤勇等[4]基于TBM施工深埋水平隧道，研究了埋深对TBM法掘进隧道应力和变形的影响，表明隧道周边不存在拉应力区，塑性区沿洞周呈近似圆环状分布；掌子面附近管片收敛较小，往洞口方向收敛变形值逐渐增大，距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定.贾善坡等[5]利用三维非线性有限元法模拟隧道盾构施工，分析了施工过程中隧道围岩孔隙压力、应力场及位移场的分布规律.周建军等[6]对深埋软、硬岩TBM施工过程进行数值模拟分析，得到施工中软、硬岩的竖向沉降及塑性区分布.满志伟等[7]基于FLAC 3D模拟了埋深、侧压系数、内摩擦角、洞径等因素影响下TBM施工水平隧道时围岩的变形规律和应力分布.冷先伦[8]在FLAC 3D程序中植入加卸载准则，研究了不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动区特征和围岩稳定特征.王非等[9]基于数值分析方法研究了注浆压力和掌子面推力2个参数对盾构隧道拱顶和地表沉降的影响规律.李晶晶[10]和崔增辉[11]分别从理论和数值方面研究了盾构斜井的施工效应，但崔增辉[11]在数值分析中未曾考虑掌子面的作用力和支护开挖的动态过程，因此得到的围岩应力分布和位移的变化规律也存在一定不足.可见，在以往的研究中，对盾构法施工深埋长大斜井过程的模拟较少，对施工过程中围岩的应力和位移分布规律也缺少深入研究.

鉴于此，本文作者以神华新街台格庙矿区煤田试验主斜井盾构施工为背景，利用数值分析软件FLAC 3D对深埋长大斜井盾构施工过程进行模拟，分析施工过程中围岩的应力分布与变形规律，研究结果可为今后盾构施工斜井时的地层控制提供一定参考与建议.

1 工程概况

神华新街台格庙矿区煤田试验主斜井采用盾构法施工.该试验斜井穿越地层种类多，斜井埋深10～688 m，倾角6°，长度6.553 km，盾构开挖断面直径D=7.5 m，衬砌后内径6.6 m，外径7.3 m.管片选用C40混凝土，管片厚0.35 m，环宽1.5 m，由4块标准块、2块邻接块和1块封顶块组成，采用错缝拼装的形式.

斜井穿越地层由新到老依次为：第四系(Q4)冲洪积层、风积层，白垩系下统志丹群(K1zh)中～细粒砂岩，侏罗系中统安定组(J2a)细～粗粒砂岩，侏罗系中统直罗组(J2z)砂质泥岩、粉砂岩、中～粗粒砂岩，侏罗系中下统延安组(J1-2y)中～粗粒砂岩，地层剖面如图1所示.整个斜井穿越的围岩等级均处于Ⅳ～Ⅴ级，为弱稳定～不稳定岩层.

由于整个斜井穿越地层种类多，斜井长度大，对整个斜井长度方向建立模型进行模拟的困难很大，且整个岩层围岩级别仅有Ⅳ级和Ⅴ级.为此，综合考虑埋深与地层围岩条件，取埋深405～535 m范围内的侏罗系砂质泥岩与中～粗粒砂岩层进行研究分析，该处地层上部砂质泥岩为Ⅴ级围岩，下部中～粗粒砂岩为Ⅳ级围岩，具有代表性.2种级别的岩层力学参数见表1.

表1 岩层力学参数

2 盾构斜井施工过程模拟

与水平隧道相比，盾构斜井施工掘进过程并无不同，仅仅是盾构机的安装有所差异.在选定盾构机和管片拼装形式下，对盾构推进的动态过程进行模拟.该过程可简单地概括为：安装盾构机，盾构推进，管片拼装，壁后注浆，如图2所示.图2中x为斜井径向，y为斜井轴向.为此，数值分析中为模拟盾构机的沿y轴正向逐步推进，对斜井开挖一环支护一环，管片每环长1.5 m，共40环.盾构机盾体长9 m，因此，管片支护滞后于开挖面9 m.

与水平隧道不同，同一段斜井隧道可能穿越多种地层.因此，在数值分析中，为模拟斜井在上述2种岩层中穿越的情况，分3种工况模拟.工况1：斜井完全处于砂质泥岩(Ⅴ级)中；工况2：斜井穿越2种地层交界处，斜井上部处于砂质泥岩(Ⅴ级)中，下部处于中～粗粒砂岩层(Ⅳ级)中；工况3：斜井完全处于中～粗粒砂岩层(Ⅳ级)中.为降低计算量，模型范围取长60 m，宽60 m，高70 m，开挖起始点y=0，开挖终点y=60.通过改变地层初始条件来模拟以上3种工况，数值模型见图3.

在数值模型中，岩体均采用Mohr-Coulomb模型，围岩参数如表1所示；壁后注浆层采用等代层[7]模拟，亦采用Mohr-Coulomb模型，其黏聚力0.2 MPa，摩擦角30°；管片采用liner单元，弹性模量32 GPa，泊松比0.2；盾体采用shell单元，弹性模量210 GPa，泊松比0.2；管片与盾体均为线弹性体.盾构前进过程要克服作用在开挖面上的被动土压力F，因此，模拟过程中在掌子面处需施加法向梯度作用力 F=γHtan2(45°+φ/2)[11].其中，γ，H，φ为掌子面处地层几何物理参数.此外，斜井周边围岩因盾构刀盘开挖扰动及管片支护滞后，2个阶段围岩应力释放率分别按5%和30%计算[12].

3 数值结果分析

由于工况2中斜井穿越2种等级的岩层交界处，地质条件相对复杂，且能同时反应出2种岩层的开挖响应.为此，取工况2的施工过程进行具体分析.图4为工况2盾构动态开挖过程中沿斜井轴线竖向剖面的最大主应力和位移分布.图4中云图表示最大主应力，单位MPa;数值线为竖向位移值，单位cm.显然，盾构机的推进扰动了岩层，破坏了原有地层平衡状态，斜井周边围岩会出现明显的松动圈，使围岩产生位移和应力释放，在管片支护区域内，围岩应力释放程度较大，最大主应力仅为2～3 MPa；在盾体上方，围岩因盾体刚度较大，应力只得到部分释放，最大主应力为5～7 MPa；而掌子面上刀盘推力需使掌子面前方岩层尽量保持原岩应力，该面上的应力释放程度很小，最大主应力为8.5～11 MPa.显然，三者应力释放量大小关系为：支护管片区>盾体区>掌子面.

此外，由图4可见，随着开挖的推进，斜井周边范围内最大主应力与竖向位移的等值线均近似平行于斜井轴线，并随距斜井轴线的距离由近到远，平行程度逐渐变弱，最终恢复成与原地应力最大主应力方向一致.图5为工况2斜井轴线上方模型表面的沉降曲线，不难看出，随着开挖的推进，斜井轴线上方模型表面各点的沉降逐渐增大，但各点增量不同：在开挖面前方各点增量随开挖长度的增加越来越大;开挖面后方增量随开挖长度的增加越来越小.而在距开挖面一定距离处，各处最终沉降并未达到相同值.这表明，当斜井开挖后，模型表面沉降与下方斜井埋深有关，斜井埋深越大，表面沉降越小，且沿着斜井开挖方向成非线性分布.而对于水平隧道，开挖区围岩内最大主应力及竖向位移的等值线一般近似水平分布，且随着盾构的推进，开挖面后方影响区外的隧道轴线上方表面沉降趋于同一值[4,7,9].由此可见，斜井周边最大主应力、位移的等值线方向及模型表面沉降的分布规律与水平隧道之间存在一定差异.

图6为工况2中围岩的塑性区分布，图中斜井周边塑性区基本呈环形分布，且随着开挖推进，周边围岩中塑性区范围不断向前扩大，而掌子面前方塑性区始终较小(<3 m).对比3种工况，可以得到2种等级围岩中斜井周围塑性区半径均值：砂质泥岩2.55R，中～粗粒砂岩1.36R，R为隧道开挖半径.文献[8]和文献[10]指出，水平盾构/TBM隧道周边围岩塑性区一般在1.0R～2.0R之间，且掌子面前方塑性区一般≤1.0R.因此，相比水平隧道，斜井周边及掌子面前方塑性区分布规律基本相同.

图7和图8分别为3种工况下，距离斜井起始开挖面22.5 m处拱顶和拱底的位移值在开挖过程中的变化情况.由于工况1和工况2斜井拱顶处于砂质泥岩(Ⅴ级)中，围岩稳定性差，3种工况拱顶下沉值大小满足：工况1>工况2>工况3.工况2和工况3斜井拱底始终处于中～粗粒砂岩(Ⅳ级)中，围岩稳定性相对较好，因此随着开挖的进行，拱底隆起值满足：工况1>工况3>工况2.斜井径向收敛变形(下沉值+隆起值)ΔD大小满足：工况1>工况2>工况3，即Ⅴ级围岩中变形最大，2种岩层交界次之，Ⅳ级中最小.显然，工况2中斜井拱顶、拱底分别处于Ⅴ级和Ⅳ级围岩中，斜井周边围岩径向变形在2种岩层中相互协调.

此外，由图7和图8可得到斜井开挖面的空间影响范围.工况1和2斜井拱顶围岩等级差，拱顶处开挖面影响范围为-3.0D～4.0D，D为隧道开挖直径；而工况3斜井于中～粗粒砂岩中，拱顶开挖面影响范围为-1.5D～2.0D，明显小于工况1和2.同理，对于拱底，工况2和3斜井拱底处于中～粗粒砂岩中，此时开挖面空间影响范围为-1.0D～2.0D；而工况1处于Ⅴ级围岩中，拱底处开挖面空间影响范围为-3.0D～3.5D.因此，围岩力学性质越差，斜井开挖面空间影响范围越大，且开挖面前方影响范围大于后方.对于一般水平隧道，其开挖面的影响范围一般为开挖面前后1.5D～2.0D范围内[13]，而本文斜井隧道开挖面总体影响范围为-3.0D～4.0D，显然斜井隧道的开挖面空间效应的影响范围较大.

图9和图10为工况2施工过程中斜井拱顶和拱底竖向位移变化曲线.可以看出，拱顶的最大沉降值约14 mm，远大于拱底的最大隆起值5 mm，且随着盾构推进，各点的位移值逐渐增大趋于定值.对应于图4中最大主应力分布，整个位移曲线亦分为开挖支护段、盾体段及未开挖段3段.3段的位移绝对值大小也不同，且开挖支护段>盾体段>未开挖段.而在盾体与盾尾2个位置之间沉降量会突变，即存在临时的不均匀沉降,在水平隧道盾构施工中也存在类似的现象[7,9].

4 结论

本文以神华新街台格庙矿区煤田深埋长大斜井的盾构施工为背景，对斜井穿越2种不同地质条件的3种工况的施工过程进行了数值模拟与分析，研究了盾构施工斜井过程中的围岩应力及变形的分布规律.具体结论如下.

1)开挖使斜井周边围岩产生位移和应力释放，且应力释放量大小关系为：支护区>盾体区>掌子面；围岩产生位移大小关系为：支护区>盾体区>未开挖区，且在盾体与盾尾2个位置之间存在沉降量突变.

2)随着开挖的推进，斜井周边影响范围内最大主应力与位移等值线均近似平行于斜井轴线，并随距斜井轴线的距离由近到远，平行程度逐渐变弱，最终恢复成与原地应力最大主应力方向一致.

3)随着开挖的推进，斜井轴线上方模型表面各点的沉降逐渐增大，但各点增量不同，开挖完成后，模型表面沉降与下方斜井埋深有关，斜井埋深越大，表面沉降越小，且沿着斜井开挖方向成非线性分布.

4)围岩力学性质越差，斜井开挖面空间影响范围越大，且开挖面前方影响范围大于后方，本文斜井的开挖面影响范围为其前方3倍洞径，后方4倍洞径，大于水平隧道.

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Stress and deformation analysis of the surrounding rock of deep buried inclined shaft constructed with shield method

CHUZhaofei，LIUBaoguo

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

It takes the main inclined shaft of Shenhua Xinjie coal mine which is constructed with shield method as the object of study in this paper, numerical analyses of the construction process of inclined shafts passing through 2 kinds of typical rocks are conducted, and the stress distribution and deformation rules of surrounding rocks during construction are obtained. The results show that the distribution of stress releasing zones and plastic zones, the displacement changing rules of crown and invert of surrounding rocks in inclined shafts during excavation are basically the same with that in horizontal tunnels. The contours of the maximum principal stress and displacement of surrounding rocks within the influence scope of excavation are approximately parallel to the axis of inclined shaft, and the parallel degree is gradually decreased as the distance from the contours to the axis increases. The surface settlement varies nonlinearly with the depth of inclined shaft，and the larger the buried depth is, the smaller the surface settlement is. The spatial influence areas of the excavation face of inclined shaft get greater as the mechanical properties of surrounding rock get worse. The spatial influence area ahead the excavation face is larger than that behind the excavation face, and the spatial influence area ahead the excavation face is 3 times of diameter, the spatial influence area behind the excavation face is 4 times of diameter of the inclined shaft in this paper, which is larger than that of horizontal shield tunnels.

inclined shaft; shield method; surrounding rock; construction; deformation; stress

1673-0291(2016)06-0001-06

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.001

2016-11-02

国家科技支撑计划资助项目(2013BAB10B06)

储昭飞(1989—)，男，安徽安庆人，博士生.研究方向为隧道与地下工程.email: 15115300@bjtu.edu.cn.

TU45

A