岩溶区域深埋隧洞施工开挖围岩稳定分析

黄宇强，傅兴安，龚仁煌

(1.深圳市水务工程质量安全监督站，广东 深圳 518000； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；3.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 430072)

1 工程背景

1.1 工程概况

公明水库—清林径水库连通工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳市境内配套项目之一，是深圳市骨干水网重要组成部分。该连通隧洞途经神仙岭段，该隧洞段岩溶地质发育，其围岩稳定等问题突出[1]。其中，隧洞桩号GK31+810.43断面埋深约95 m，下穿神仙岭水库库尾，位于细砂岩、石英砂岩、白云质灰岩不整合接触带内，溶洞大规模发育，主要填充物质为碎块石土，洞段采用悬臂式掘进机开挖，开挖尺寸为7.0 m×6.9 m(宽×高)。

1.2 支护设计

由于隧洞直接穿过岩溶发育区，隧洞开挖围岩稳定性问题十分突出，其预加固措施及支护对围岩稳定十分重要。该断面地层预处理措施包括地表灌浆、全断面超前注浆(注浆深度6.0 m)、超前管棚支护等措施[2]。具体设计支护包括：中空注浆锚杆(S28/5.5，间距1.0 m×1.0 m，L=4.5 m)、钢拱架(I20a，榀距0.5m)、喷层(上部喷30 cm厚C25混凝土，底部20 cm厚C25垫层混凝土)、自密实混凝土(60 cm厚C30混凝土)、钢衬(厚度24 mm)，施作衬砌后洞径为5.2 m，各支护结构材料力学参数如表1所示。

表1 各支护结构材料力学参数

2 隧洞断面有限元模型

根据工程资料建立断面有限元数值模型如图1所示，各地层的材料参数详见表2。整体模型纵向长度取1m(1倍锚杆间距)，为减弱模型边界效应的影响，模型左、右侧边界及模型底部与隧洞中心距离为50 m(约7倍开挖洞径D)，顶部边界模拟至地表。整个地层模型均采用C3D8R单元模拟，采用摩尔库伦本构，共61 752个单元。除了顶部边界为自由面外，模型其余各个边界均施加法向约束[3]。各支护结构均采用线弹性模型模拟，其中钢拱架采用梁单元模拟，紧贴围岩内壁，锚杆采用杆单元模拟并埋入围岩中。围岩与喷层、喷层与自密实混凝土衬砌、自密实混凝土衬砌与钢衬之间均采用绑定约束。

表2 地层材料参数

断面采用地表灌浆及全断面超前注浆等围岩预加固措施，在有限元数值模型中采用等代层替代，通过提高原始地层力学参数以模拟灌浆效果，其中④地层岩石力学性能较好，计算时不考虑其灌浆后的材料参数提升，各灌浆区参数也在表2中给出[4]。

计算时首先构建初始地应力场，提高灌浆区材料力学参数，然后根据约束收敛法对隧洞开挖进行模拟，考虑断面开挖时围岩荷载已释放70%，此时施作初期支护(钢拱架、锚杆及喷层)，待围岩荷载完全释放后施作钢衬及回填自密实混凝土[5-8]。

3 计算结果分析

3.1 围岩变形

计算所得断面围岩位移场如图2所示。根据计算结果，断面围岩整体变形主要以竖直向变形为主，较大的变形主要集中在开挖隧洞拱顶及右侧区域。由于地层的不均匀分布，开挖后右侧较软弱土体受开挖扰动较大，隧洞右侧围岩存在较大的变形，特别是在右侧拱顶附近区域变形显著，最大变形达到4.51 cm；隧洞左侧岩体性质较好，但存在部分区域为未加强土体，存在一定的围岩变形。观察此时的地表沉降情况，隧洞正上方及右侧地表区域沉降较为明显，最大地表沉降量达1.79 cm，根据图2(b)所给特征点提取围岩变形量列于表3中。

图2 围岩变形及特征点分布

表3 洞壁及地表变形特征点位移 cm

由表3可知，开挖区附近围岩主要向隧洞开挖临空面变形，隧洞右侧区域有较大变形，其中洞壁最大变形出现在D7测点，最大变形量为4.23 cm。洞壁整体围岩变形量均在可控制范围内，说明在设计方案采用的地层预加固与支护措施作用下，围岩稳定性有所保障。

3.2 围岩塑性区分布

围岩塑性区分布如图3所示。由图可知，地层整体塑性区广泛分布在未灌浆的软弱土层，同时物理力学性质相差较大的岩层分界面上软弱土体存在较大塑性变形。在全断面超前注浆区域范围内，隧洞塑性区主要分布隧洞左右侧及隧洞右侧拱脚底部。隧洞周围施作的锚杆基本可以锚固两侧围岩塑性区，而隧洞右侧拱脚底部塑性区基本贯穿全断面注浆圈，同时存在较大的塑性变形，为减小底部塑性区及塑性变形，可考虑局部加强隧洞右侧底部预支护强度，保证超前灌浆的质量，为隧洞右侧底部提供足够的支撑强度。

图3 围岩塑性区分布

3.3 锚杆及钢拱架应力分布

计算所得锚杆的Mises应力分布见图4(a)。由图可知，较大应力主要集中在隧洞两侧区域的锚杆，左侧锚杆由于位于强弱岩体的分界处，存在一定的应力集中，其最大Mises应力为174.5 Pa。锚杆整体应力低于锚杆钢材屈服强度，处于正常弹性工作范围内。

图4 锚杆及钢拱架Mises应力分布(单位：Pa)

钢拱架的Mises应力分布如图4(b)所示。由图可知，钢拱架在隧洞右侧拱脚处有较大的应力集中，最大Mises应力为201.6 Pa，除右侧拱脚局部区域外，其他部位整体应力水平基本低于190 Pa。右侧拱脚处的局部应力较高主要原因为右侧洞底塑性变形较大，洞底存在不均匀变形导致的，为了减小局部的应力集中，可以考虑加强隧洞右侧底部预支护强度，保证右侧拱脚处的超前灌浆质量，减小右侧洞底的塑性变形，从而减小钢拱架局部较大应力。

3.4 喷层混凝土应力分布

计算所得喷层混凝土应力分布如图5所示。由图可知，喷层整体以受压为主，左侧拱顶处压应力较大，右侧拱脚处存在局部压应力集中，最大压应力略超出喷层混凝土设计抗压强度，整体压应力基本在喷层混凝土设计抗压强度内；同时喷层整体拉应力均小于混凝土设计抗拉强度，在喷层右侧存在局部较大拉应力1.22 Pa，基本可以认为喷层混凝土结构不会发生严重破坏。

图5 喷层混凝土应力分布(单位：Pa)

3.5 地表灌浆效果讨论

考虑到地表灌浆效果不够稳定，对有无地表灌浆的开挖方案进行对比，提取其特征结果如表4所示。由表中计算结果可知，相比于无地表灌浆方案，当考虑地表灌浆效果后，围岩变形及塑性区分布区域、地表沉降量均有所减小，同时支护结构应力也略有减小。可以看出，围岩预支护措施以全断面超前注浆配合管棚支护为主，地表灌浆也能提高围岩稳定性，但其效果有限。

表4 有无地表灌浆方案下隧洞开挖特征结果

此外，地表灌浆能缓解隧洞右侧地表支护结构的局部应力集中。其原因在于围岩地层分布不均匀，开挖隧洞左侧为岩性较好的灰岩，而隧洞开挖断面整体基本处于碎石块土中，地表灌浆能提升隧洞底部岩石力学性能，能使隧洞底部的承载能力提升，同时改善隧洞右侧底部的不均匀变形，缓解该处支护结构的应力集中。

4 结 论

(1)所选工程围岩稳定及支护结构安全有所保证，设计中采用的围岩预加固措施及支护措施是有效的。

(2)对于地层不均匀分布的复杂地层隧洞开挖，应采用合理的预加固措施，在地层软弱区域可考虑局部增强灌浆深度以提高围岩稳定性。

(3)对于开挖隧洞下方存在软弱土体与较好岩体交界的情况，应保证地表灌浆，全断面注浆等预加固措施的质量，必要时提高灌浆深度，保证隧洞底部的承载力，减小开挖断面不均匀变形，从而减小支护结构的应力集中。