45°斜井反井法开挖围岩稳定性分析

张 龙， 张学彬， 王 峻

(中国水利水电第七工程局有限公司, 四川成都 610081)

1 工程地质条件

猴子岩水电站出线洞斜井段长185.1 m，倾角45 °，采取反井法开挖，开挖及衬砌断面均为城门洞型。洞身段围岩为泥盆系下统(D11)第④层薄层状结构为主变质灰岩，岩石较坚硬，弱卸荷、弱下风化带，岩层产状为N50 °～70 °E/NW∠40 °～60 °，围岩类别以Ⅲ2类为主，少量Ⅳ类，成洞条件较好。该洞段内发育有g1、g2层间挤压破碎带，带宽1～5 m，主要为水平劈理密集发育的片岩组成，延伸均大于300 m。裂隙主要发育J1(层面裂隙)：N50 °～70 °E/NW∠40 °～60 °；J2：N10 °～30 °E/SE∠30 °～50 °；J3：N10 °～40 °W/NE∠50 °～80 °；J4：EW/S∠30 °～50 °；J5：EW/S(N)∠75 °～80 °。J1层面裂隙最发育，次为J2～J5，裂面多起伏粗糙，以刚性结构面为主，少量岩块岩屑型结构面。

其中J1层面裂隙发育，并与洞向小角度相交，在斜井开挖期，对边墙稳定极为不利，因此，能否正确分析出在这一不利影响下的斜井开挖围岩的稳定性，成为隧洞施工安全顺利进行的一大关键。

2 计算模型

针对斜井段的45 °城门洞型隧道开挖，结合其特殊的工程地质条件，考虑右边墙的发育层面裂隙，采用摩尔—库伦屈服准则。

2.1 计算基本假设

(1)岩体为理想弹塑性介质，均质、连续、各向同性。

(2)不考虑岩体变形的时间效应和地下水影响。

(3)将隧道及围岩的受力和变形作为平面应变问题分析。

(4)地层和材料的应力-应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由重力自动生成。

(5)不考虑施工开挖时爆破对围岩的损伤和震动影响。

2.2 力学参数

计算中围岩的物理力学参数的取值对于数值分析结果影响很大，根据现场的取样实测及已有类似地层工程文献资料的参考数据，可以得到具体参数如表1、表2。

表1 计算模型中材料参数

表2 计算模型中支护参数

2.3 FLAC3D空间效应模拟

由于隧道施工过程中施工的扰动作用，在掌子面前方一定距离处岩土体首先会产生隆起。随着掌子面的不断临近，该出位移在距掌子面一定距离处与原地平线相交而后迅速沉降。因此围岩的位移变形并不是在掌子面经过时立即全部产生的，其前后围岩的开挖扰动都会使其产生变形。当掌子面经过该处后，距离掌子面越远围岩的位移值就越大，当然是在一定距离内，当其距掌子面超过该距离后，位移达到最大值而逐渐趋于稳定，几乎不再变化；在隧道力学中特征曲线法知，衬砌支护开始作用的时间不同，支护与围岩最后达到平衡状态时所产生的位移也就不尽相同，因此存在着最优支护时机。当用数值模拟方法模拟隧道施工过程中开挖卸荷引起的空间效应时，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。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。笔者采用FLAC3D内置的FISH语句编写了3个主要的函数，即excavate、cable_apply和shell_apply，分别用以模拟开挖、打锚杆和初期钢拱架喷浆支护三个过程。二次衬砌作为荷载储备，因此开挖时不考虑其支护作用。

在计算中编写了主循环命令流，每一循环步包括主要工作有：开挖、打锚杆、初支护、显式求解。其中显式求解是FLAC3D有限差分软件的重要特点之一，它是利用计算步数作为求解过程结束的唯一准则，而不是以模型最终达到稳定的收敛状态作为求解的结束条件，故显式求解的结果通常并非最终收敛状态，而这与动态施工过程更为接近。

对于每个循环开挖求解步数的确定，笔者根据大量的计算结果发现一次开挖贯通求解至稳定大致需要11 000步，而通常认为掌子面后方3D范围左右即掌子面超前某点处21 m时，该附近处的围岩己基本达到稳定，从该处开始挖到其达到稳定需要21/3=7个循环进尺，故每一循环开挖步求解步数可设置为1 500步。从初始地应力状态开始开挖后，释放围岩应力30 %，然后钢拱架、喷锚支护，故每个循环开挖步设置450步，即开挖后计算450步再施作支护、再开挖至求解稳定，来模拟施工动态过程中空间效应。

3 计算模型与边界条件

建立模型首先虑模型几何条件与实际情况相接近的同时，也要考虑计算机实现的可能性，满足影响研究对象的主要因素条件，忽略次要因素而简化模型方便操作计算。

斜井段隧道平纵面参数如表3。以猴子岩斜井段城门洞型隧道为研究对象，取最发育的层面裂隙J1，建立模型模拟其对洞室开挖的过程中位移变形进行分析。

表3 隧道平纵面参数

3.1 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。根据猴子岩斜井段隧道实际工况建立模型，由于隧道超深埋，最大埋深470 m，整个斜井段埋深60～470 m。从弹性力学角度考虑，该模型属于平面应变问题，纵向取39 m消去边界约束条件影响，因此模型几何尺寸取隧道轮廓至边界面距离为20 m，同时整个模型高度90 m，纵向长度取39 m，横向宽度50 m。取正面的隧道的拱顶距地表埋深63 m，上部施加重力荷载，等效山体埋深，城门洞型隧道外轮郭标准开挖断面尺寸6.72 m×6.78 m(宽×高)，隧道轴线在垂直平面与水平面呈45 °方向，开挖计算模型如图1所示。

图1 计算模型

参考已有研究成果表明，在数值模拟中隧道边界到模型边界延伸范围满足2～3洞径距离时边界效应很小，可以忽略不计，这里模型满足要求，同时有一定富余，而尽可能消除边界效应。由于隧道边墙处存在一系列层面裂隙，其中最发育的层面裂隙J1与洞室右边墙呈小角度相交，对边墙稳定不利。本模型中在group1和group2间设置接触界面模拟该节理，与右边墙呈9 °相交，因此，为了加快模拟计算速度，保证主要影响因素与实际相接近，对实际工况进行了简化，研究分析洞室开挖过程中围岩的稳定性及变形规律。

3.2 边界条件

模型边界四周采用法向约束，铅垂方向顶部为自由面，在顶部施加等效的土体重力，底部采用固定约束。

3.3 支护结构

施工开挖过程中，初期支护和锚杆支护如图2所示。

图2 初期支护结构

4 数值模拟结果与分析

取斜井段45 °隧道为研究对象，考虑最发育的层面裂隙影响，采用全断面爆破开挖，掘进循环进尺设计为3 m，对施工过程采用新奥法施工原理模拟，给予一定的时间步计算，充分发挥围压自稳能力。

4.1 水平位移分析

斜井贯通后围岩的水平位移如图3所示。

图3 水平位移云

由上图3可知，最大水平位移的发生出现在左右边墙处，其中左侧最大水平位移为4.39 mm，右侧最大值为5.37 mm，右侧相比左侧最大值增大了22.3 %，说明右侧与隧道轴向小角度相交的层面裂隙对围岩变形恶化有较大影响，但位移值都还是偏于安全，施工能够满足洞室的稳定要求。

4.2 竖直位移分析

斜井贯通后洞室围岩的竖直位移如图4所示。

图4 竖直位移云

由图4知，竖向最大位移发生在圆拱和底板处，其中拱顶处沉降最大，其值为1.90 cm，底板向上隆起最大值达2.04 cm，故在施工时应注意底板的隆起变形监测，加强底板强度，减小其隆起变形。

4.3 XZ方向剪应力

根据上述模型建立分析，本模型计算分析属于平面应变问题，采用平面剪应力研究，取XZ方向剪应力为对象进行分析，斜井贯通后，其剪应力云如图5所示。

图5 XZ方向剪应力移云

由上图5可知，最大剪应力主要集中在洞室的左右拱肩处，其中左右拱肩处最大剪应力分别为3.04 MPa和3.11 MPa，即右侧大于左侧。同时，洞室左拱脚往下一部分区域有较大剪应力集中，一直延伸向边界，但没有形成贯通面，故隧道也是偏于安全的。

4.4 XZ方向的剪应变增量

同样，也取XZ方向剪应变增量分析(图6)。

图6 XZ方向剪应变增量云

由图6可知，剪应变增量与剪应力分布规律相对应，呈现出“四叶草”形状，在左右拱肩及底板的左右拱脚处集中，右侧均大于左侧，也说明了层面裂隙弱化了洞室右侧围岩，但整体都处于安全范围内。

4.5 初期支护的位移

隧道施工贯通后，其初期支护的水平位移和竖直位移分别如图7、图8所示。

图7 初支水平位移云

图8 初支竖直位移云

可以看出，支护结构位移都是向洞室内部运动，水平最大位移值发生在左右边墙处，其值分别为3.78 cm和4.85 cm，相比增大了28.3 %。竖直位移最大变形同洞室围岩一样，发生在拱顶及底板处，其中拱顶沉降值达1.10 cm，底板隆起值达1.35 cm。

5 小结

(1)通过数值模拟计算结果分析，右侧位移较左侧增大了22.3 %，而初期支护的右侧较左侧增大了28.3 %，二者相互印证，可见右侧与隧道轴向小角度相交的层面裂隙对围岩变形恶化有较大影响。

(2)根据模拟结果可以预测到底板可能会有较大隆起，应注意加强底板强度，控制隆起位移值，拱顶及拱肩处有不同程度的沉降，剪应力也在拱肩和拱脚处集中分布，施工时对这些地方应加强监测，密切关注，保证围岩的稳定及变形控制，确保施工安全顺利进行。

(3)虽然层面裂隙弱化了洞室右侧围岩，但从模拟结果来看，硐室位移值都在允许值内，还是偏于安全的，既有施工及支护设计能够满足洞室的稳定要求。