富水富砂断层带隧道施工稳定性分析

高雷州

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

随着全国基础设施建设的持续加强，交通设施的建设规模不断增大，隧道工程项目越来越多，尤其山岭隧道大量出现。山体地质条件复杂多变，常会遇到大断层、大涌水，围岩风化严重、十分破碎等不良地质条件。在保证隧道能安全施工的前提下，要考虑不同工法对隧道围岩扰动变形大小及稳定性的影响。就现有工程经验看，不同的施工方法对工程的安全影响程度不同。本文根据隧道施工方案设计，开挖方法只考虑全断面法和上下台阶法［1-2］，同时简化模型计算过程，高位排水洞和迂回导坑一次赋空，并以台阶法为基础，模拟不同注浆加固方法和不同开挖进尺的效果。针对F4断层处隧道施工的稳定性影响，设置不同工况进行模拟分析比较，优化施工方案。本文针对施工偏危险的F4断层最不利围岩段（Ⅴ级围岩），采用新奥法［3］进行研究。

2 计算模型及空间效应模拟

怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道F4断层处围岩强风化、破碎、自稳性差，且地层富含地下水，故采用摩尔-库伦屈服准则。

2.1 围岩力学参数

围岩物理力学参数的取值对于数值分析结果影响很大。根据现场取样实测及已有类似地层工程文献资料，得到具体参数，见表1。

表1 材料物理力学参数

2.2 FLAC3D空间效应模拟

隧道开挖卸荷引起的空间效应采用等效开挖面空间效应模拟。其方法有多种，主要分为两大类：应力释放法和刚度折减法［4］。本文采用应力释放法，根据计算结果和有关资料表明，隧道不同位置处，在支护施作前得到的每步开挖的位移释放系数不同；而同一位置处，不同施工方法的释放系数也不同。为方便操作，本文统一取每步开挖后释放系数为30%。

按空间问题分析，充分考虑隧道开挖过程中的动态影响，模拟计算中需要考虑开挖进尺、台阶长度、掌子面左右错开间距和初期支护时间效应，模拟开挖、打锚杆和初期钢拱架喷浆支护3个过程。二次衬砌作为荷载储备，开挖时不考虑其支护作用。

针对不同施工工法，设置两种不同工况，采用三维模型，在初始地应力平衡后的基础上，进行数值模拟比较不同工法差异。

2.3 模型建立与边界条件

根据地质条件和工程条件，以怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道F4断层处隧道施工为研究对象，取危险地质段即可能发生大变形段建立模型。

（1）建立模型

模型采用笛卡尔坐标，其中X方向水平向右，Z方向竖直向上。根据岩鹰鞍隧道F4断层处实际工况建立模型。由于隧道超深埋，最大埋深303 m，因此模型几何尺寸取拱顶距地表28m，上部施加重力荷载，等效山体埋深；取隧道轮廓至左边界距离为35m，右侧距高位排水洞水平净距8.4 m，竖直净距7 m，距导坑水平净距28.4 m。其中，导坑到模型右边界15.3 m，排水洞距模型顶部13.3 m，整个模型高度70 m，纵向长度取50 m，横向宽度98 m。模型见图1。

为了加快模拟计算速度，将模型中迂回导坑和排水洞先全部一次赋空，地层采用Ⅴ级围岩，为全风化破碎带；然后采用不同的支护措施、施工工法及开挖进尺来研究施工过程对隧道围岩稳定性［5］的影响，确定合适的施工工法。

图1 计算模型

（2）边界条件

模型边界四周采用法向约束，垂直方向顶部为自由面，底部采用固定约束。

（3）支护结构

施工开挖过程中，初期支护采用钢拱架和系统锚杆联合支护。

3 数值模拟结果分析

3.1 不同注浆加固效果模拟分析

根据最新的设计优化方案，施工图设计F4断层破碎带（Ⅴ级围岩）采用加固圈5 m超前帷幕注浆预加固；断层影响带（Ⅳ级围岩）采用开挖后5 m径向注浆加固［6］。

采用上下台阶法对不同注浆方式加固效果进行分析。设置两种工况：第一种为普通的超前小导管注浆［7］，注浆范围为隧道洞室周边5 m；第二种采用超前帷幕注浆预加固［8］，加固圈5 m。

3.1.1 工况一模拟结果及分析

（1）隧道开挖后水平位移

台阶法开挖中最大水平位移发生在隧道的左右拱腰处，均向坑内运动，左侧最大值达24.3 cm，右侧最大值达22.49 cm，洞室周边位移都相对较大。排水洞和迂回导坑洞室水平变形也都较大（见图2）。

图2 台阶法施工水平位移云图

（2）隧道开挖后竖直位移

在垂直方向，最大沉降发生在拱顶处，最大值达31.49 cm，分布在拱顶附近较大区域，拱底向上隆起，最大值达15.21 cm。排水洞和迂回导坑竖直变形均相对较大（见图3）。

图3 台阶法施工竖直位移云图

（3）隧道开挖后XZ方向剪应力分析

主洞室的最大剪应力分布同样呈现出“四叶草”形状，主要分布在左右拱脚和拱肩处，最大值为8.29 MPa，同时在左拱肩和右拱脚处分布区域较大，可以看出沿左拱脚和右拱肩的连线向排水洞有贯通的趋势，且排水洞左拱脚处最大剪应力分布集中，变形较大。故施工过程中应加强主隧道洞室拱肩及拱脚处的位移监测并及时采取措施，保证施工顺利进行。同时排水洞也应加强左拱脚处支护措施，防止因变形过大引起洞室周边围岩发生破坏（见图4）。

3.1.2 工况二模拟结果及分析

（1）水平位移分析

台阶法开挖中最大水平位移发生在隧道的左右拱腰处，均向坑内运动，左侧最大值达11.12 cm，右侧最大值达9.64 cm，洞室周边位移均较小。排水洞和先行导洞水平变形均在安全范围内。

（2）竖直位移分析

在垂直方向，最大沉降发生在拱顶处，最大值达18.08 cm，分布在拱顶附近较大区域，拱底向上隆起，最大值达8.82 cm。排水洞和先行导洞竖直变形均在5 cm左右，偏于安全。

3.2 不同施工工法模拟结果分析

采用全断面法进行理论分析，与上述工况二中的台阶法对比，比较帷幕注浆预加固［9］下的不同工法对隧道洞室围岩的稳定性及变形大小的影响［10］。

（1）水平位移分析：全断面法开挖过程，最大水平位移发生在左右拱腰处，左侧向右位移最大值为13.71 cm，右侧向左最大位移为12.51 cm。

（2）竖直位移分析：最大竖向位移发生在拱顶区域，沉降最大值达22.68 cm，而拱底向上隆起9.03 cm。

3.3 不同施工进尺模拟结果分析

以台阶法［11］为研究对象，设置3种不同施工进尺工况研究分析。第一种：上述3.1中的工况二，施工进尺为1 m；第二种和第三种工况：施工进尺分别取2 m和3 m，下台阶长度均取8 m，其他条件与第一种工况相同。

（1）工况二，施工进尺2 m。

①水平位移分析

从图5可以看出，台阶法开挖中最大水平位移发生在隧道的左右拱腰处，均向坑内运动，左侧最大值达12.41 cm，右侧最大值达10.74 cm，洞室周边位移均较小。排水洞和先行导洞水平变形均在安全范围内。

图5 台阶法水平位移云图（施工进尺2 m）

②竖直位移分析

从图6可以看出，在垂直方向，最大沉降发生在拱顶处，最大值达19.76 cm，分布在拱顶附近较大区域，拱底向上隆起，最大值达9.35 cm。排水洞和先行导洞竖直变形相对均较小，偏于安全。

图6 台阶法竖直位移云图（施工进尺2 m）

（2）工况三，施工进尺3 m。

①水平位移分析

从图7可以看出，台阶法开挖中最大水平位移发生在隧道的左右拱腰处，均向坑内运动，左侧最大值达13.2 cm，右侧最大值达11.41 cm，洞室周边位移均较小。排水洞和迂回导坑水平变形也均在安全范围内［12］。

图7 台阶法水平位移云图（施工进尺3 m）

②竖直位移分析

从图8可以得知，在垂直方向，最大沉降发生在拱顶处，最大值达20.72 cm，分布在拱顶附近较大区域，拱底向上隆起，最大值达9.42 cm。排水洞和迂回导坑竖直变形均相对较小，偏于安全。

图8 台阶法竖直位移云图（施工进尺3 m）

4 结论

（1）两种注浆预加固方法效果评价。水平位移分析：工况一跟工况二整体变形规律相同，但最大值分别为24.3 cm、11.12 cm，相比减小了54.2%。竖直位移分析：工况一中拱顶最大沉降为31.49 cm，拱底最大隆起值为15.21 cm；工况二中拱顶最大沉降值为18.08 cm，拱底隆起值为8.82 cm，相比较拱顶沉降减小了42.6%，拱底隆起减小了42%。最大剪应力分析：两种工况的最大剪应力分布规律大致相同，工况一中的最大剪应力为8.29 MPa，工况二中的最大剪应力为8.68 MPa，相比较增大了0.39 MPa。表明采用迂回导坑进行帷幕注浆预加固效果明显，施工过程中洞室围岩变形及应力分布得到了有效控制。

（2）不同工法施工效果分析。两种工况中变形规律基本类似，其中全断面施工水平最大位移13.71 cm，拱顶沉降最大值为22.68 cm，而拱底向上隆起最大值达9.03 cm。相比较台阶法，水平位移最大值11.12 cm，沉降和隆起的最大值分别为18.08 cm、8.82 cm，即水平位移减小了2.59 cm，沉降值减小了4.6 cm，隆起值减小了0.21 cm。虽然变形增幅除沉降值稍微偏大，其他增幅均较小，但是仍可以看出采用台阶法开挖，减小每次开挖掌子面的面积，也可有效控制洞室围岩变形。

（3）不同施工进尺效果分析。水平位移分析：工况一～三中最大水平位移分别为11.12 cm、12.41 cm，13.2 cm；拱顶最大沉降依次为18.08 cm、19.76 cm、20.72 cm；拱底最大隆起值依次为8.82 cm、9.35 cm、9.42 cm。水平位移、沉降位移、隆起位移的增幅依次为1.29 cm、0.79 cm、1.68 cm、0.96 cm、0.53 cm、0.07 cm。可见随着施工进尺的增大，其变形呈现依次递增的规律，并且增幅速度下降很快，施工进尺超过2 m后对洞室围岩变形的影响效果不敏感，只在一定范围内存在较大影响。同时，最大剪应力依次为 8.68 MPa、8.39 MPa、8.53 MPa，不同进尺下洞室围岩应力分布变化不大。

总之，采用迂回导坑进行注浆帷幕预加固、采用合适的掌子面开挖及施工进尺确实能有效控制施工过程中围岩的变形及应力分布，能确保隧道施工开挖的安全。