臺階法施工時臺階長度對富水隧道穩(wěn)定性影響研究①

魯軍紀， 程 鑫， 閆小兵， 趙培東

（1.湖南漣邵建設工程（集團）有限責任公司，湖南 長沙 410001； 2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）

作為地下重要構筑物，隧道在保護自然環(huán)境、提高運輸能力以及加大空間利用率方面發(fā)揮著重要作用［1-5］。 隨著時代不斷發(fā)展，隧道工程項目增加，施工條件也日漸復雜，尤其當隧道穿過富水土體時，人為破壞原有地下水滲流，會造成地下水以滴流、股流以及大范圍突水等形式向外排出，不僅會增加隧道施工難度，還會影響隧道結構穩(wěn)定。 因此，研究富水條件下隧道穩(wěn)定性對提高施工效率和保障隧道安全具有重要作用。

目前，諸多學者分別從地質結構、降水強度、支護方式等角度研究了富水隧道穩(wěn)定性影響因素［5-12］，并據(jù)此提出了相應的隧道涌水治理措施。 但已有研究較少從開挖方式角度對富水隧道穩(wěn)定性進行分析。 臺階法作為隧道施工的常用方法，在多種工況條件下應用廣泛，臺階步距的選擇是影響施工效率和安全的重要環(huán)節(jié)。 本文以四川小麻柳尾礦庫主隧道工程為例，構建三維數(shù)字模型模擬施工過程，綜合滲流場、位移場、應力場以及塑性區(qū)等計算結果分析不同步距條件下臺階法開挖對富水隧道穩(wěn)定性的影響，以期為類似工程項目施工設計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

小麻柳尾礦庫地處四川省西昌市太和鎮(zhèn)安寧河西岸小麻柳沖溝，初期壩壩址距安寧河西岸約1 800 m。尾礦庫原始形態(tài)西、北、南三面環(huán)山，總體地勢由西向東傾斜，庫區(qū)上游谷地區(qū)域由東西向及北東向兩條支溝組成，初期壩位于兩溝東側交匯處，庫區(qū)內(nèi)地表分水嶺北面標高1 650～1 850 m、南面標高1 660～1 840 m、溝底標高1 559～1 563 m，地表地形最大高差超過300 m。

尾礦庫截排洪主隧道全長2 377 m，其中壓坡段、加高段及漸變段長80 m，暗挖隧道洞身段長2 295 m，隧道上游標高1 661.333 m、下游出水口標高1 596.5 m，庫區(qū)內(nèi)隧道總長度為628.812 m，洞身段采用圓拱直墻式斷面。 根據(jù)圍巖條件進行分類，選取主隧道段K2 ＋234.00～＋139.00 m 進行研究，該段為Ⅳ級圍巖條件，隧道埋深94.903 ～113.380 m，上覆圍巖主要為第四系下更新二期冰磧層為主的地質結構。 由地層勘探結果可知，隧道上覆巖層自上而下可分為：①礫砂土層，厚度約10 m；②中、強風化玄武巖，土層厚40 m左右；③地表埋深50 m 以下圍巖以冰磧層為主，其內(nèi)部以冰川融水為主要應力，旁側含透水巖層。 主隧道K2 ＋234.00～＋139.00 m 段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育較好，巖體整體較為破碎，沿斷裂帶形成構造裂隙透水通道，匯集較豐富的地下水，成為富水性良好的含水層。 主隧道K2 ＋234.00～＋139.00 m 段地層結構如圖1 所示。

圖1 地層結構示意圖

2 數(shù)值模擬分析

臺階法按步距不同可劃分為長臺階法、短臺階法以及微臺階法。 為研究不同開挖方式對隧道穩(wěn)定性的影響，分別模擬不同臺階長度條件下隧道開挖過程，根據(jù)施工后滲流場、應力場、位移場以及塑性區(qū)狀況評估施工效果。

2.1 三維數(shù)字模型

根據(jù)小麻柳尾礦庫主隧道K2 ＋234.00～＋139.00 m段地形情況及圖1 構建三維數(shù)字模型，為降低邊界效應對模擬結果的影響，考慮圣維南原理，模型左右側及底部均取5 倍開挖尺寸，開挖長度約95 m，整個模型尺寸為66 m×95 m×130 m，模型單元和節(jié)點數(shù)分別為482 605 和265 493。 模型示意圖見圖2。

圖2 模型示意圖

2.2 邊界條件及材料參數(shù)

根據(jù)工程實際情況，對各土層參數(shù)賦予摩爾-庫倫本構模型，忽略土體斷層影響，隧道開挖后以錨網(wǎng)噴砼＋錨桿進行初期支護，分別以彈性本構模型及錨結構單元進行模擬，二次襯砌支護以彈性本構模型進行模擬。各土層結構中，中、強風化玄武巖及冰磧層為導水土層，其中冰磧層內(nèi)匯聚較豐富地下水，以各向同性流體材料進行模擬。 靜力學邊界條件為四周法相位移約束、底部位移全約束、頂部為自由面；滲流場邊界條件為四周及底部邊界均為不透水邊界，頂面無水，初期支護及二次襯砌支護均為不透水材料，開挖面處自然排水。

為合理確定圍巖力學參數(shù)，提高數(shù)值模擬結果準確性，從施工現(xiàn)場進行取樣，將其加工打磨成標準試樣進行三軸及直剪等試驗，測定圍巖及支護材料力學參數(shù)，結果見表1。

表1 圍巖及支護結構材料參數(shù)

2.3 模擬施工步驟

模型開挖方式為上下臺階法，開挖循環(huán)為5 m，單次施工前需進行排水處理，進行自然滲流，滲流時間為12 h；排水完畢后進行施工，開挖后即刻進行錨網(wǎng)噴砼＋錨桿初期支護，噴砼厚度0.25 m，錨桿長度3 m，直墻隧道上部錨桿間距0.85 m、下部錨桿間距1.0 m；待初期開挖支護應力平衡后，再進行下一循環(huán)施工作業(yè)，二次襯砌支護滯后4 個開挖循環(huán)，二次襯砌支護厚度0.5 m。

根據(jù)臺階法劃分標準，結合隧道面開挖尺寸，分別模擬不同臺階條件下施工過程，其中長臺階法臺階長度為5 倍開挖尺寸（即30 m），短臺階法臺階長度為1.67 倍開挖尺寸（即10 m），微臺階法臺階長度為0.83倍開挖尺寸（即5 m）。

3 模擬結果分析

3.1 滲流場分析

圖3 為不同臺階長度施工后冰磧層滲流場分布情況。

圖3 滲流場分布示意圖

長臺階法、短臺階法以及微臺階法僅開挖步距不同，開挖循環(huán)次數(shù)一致，且在每次開挖前都先進行排水處理，排水時間均為12 h，故三類施工方法滲流場分布形式類似，與圖3 結果一致。 從圖3 可知，富水隧道開挖區(qū)域孔隙水壓力有所降低，孔隙水壓力等值線成漏斗形狀。 因此，在施工前對開挖區(qū)域提前進行排水處理，能夠一定程度降低孔隙潛水對施工作業(yè)的影響，提高施工作業(yè)效率及安全性。

3.2 位移場分析

圖4 為三類施工方法隧道附近圍巖合位移云圖。

圖4 圍巖合位移云圖

由圖4 可知，富水隧道開挖后拱底位移較小，圍巖變形主要集中在拱頂及拱腰處。 由掌子面附近位移分布情況可知，添加二次襯砌后，二次襯砌區(qū)域合位移明顯降低，位移數(shù)值均小于0.05 m。 對比三類施工方式合位移數(shù)值大小可知，長臺階法施工在初期支護拱腰處合位移最大，達到0.263 m，短臺階法合位移最大處同樣位于初期支護拱腰處，數(shù)值為0.067 3 m，微臺階法施工合位移最大值為0.043 4 m。

為細化分析隧道豎向位移及側向位移分布情況，監(jiān)測沿開挖方向拱頂、拱底豎向位移及拱腰兩側側向位移，圖5 為監(jiān)測數(shù)據(jù)圖（其中拱頂及右拱腰數(shù)據(jù)取絕對值）。

圖5 施工位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖5 可知，三類方法施工隧道拱頂處位移數(shù)值較大，其次為拱腰處，拱底位移最小，與圖4 結果一致。同時，分析各類施工方法位移數(shù)據(jù)變化趨勢可知，位移大體呈周期變化規(guī)律，結合施工模擬過程可得，位移變化周期與錨桿間隔大體一致，由此可知錨桿對圍巖加固作用明顯，施工后及時進行錨桿支護可有效降低施工作業(yè)區(qū)域圍巖變形。 此外，分析施工位移數(shù)據(jù)可得，隧道左右拱腰處監(jiān)測點位移變化趨勢有所差異，主要原因在于隧道左右拱腰處監(jiān)測點距地表土層深度存在差異，且由于長臺階法及短臺階法施工時上下臺階施工間隔較長，拱腰處應力釋放較為充分，左右拱腰處位移監(jiān)測曲線差異較大，微臺階法上下臺階施工循環(huán)間隔較小，應力釋放較為緩慢，左右拱腰處位移監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較小。

由圖5 可知，三類施工方法中，長臺階法拱頂位移明顯高于拱腰及拱底，主要原因在于長臺階法施工過程中，臺階步距較長，上臺階開挖后應力釋放充分，所產(chǎn)生拱頂位移較大，最大位移值為0.09 m。 分析長臺階法位移總體變化趨勢可得，沿開挖深度方向大于上臺階開挖步距30 m 時，隧道底部下臺階開始施工，施工作業(yè)區(qū)域增大，隧道拱頂處位移也逐漸開始增加。 短臺階法施工臺階步距較短，隧道拱頂位移與拱腰及拱底位移差異較小，沿開挖深度方向超過開挖步距10 m 時，開挖面增大，隧道周邊圍巖變形隨之增加，拱頂最大沉降為0.05 m。 微臺階法由于超前步距最小，施工作業(yè)對圍巖影響最小，拱頂位移與拱腰、拱底位移數(shù)據(jù)相近，拱頂沉降最大值位于洞口處，最大值為0.028 2 m。

3.3 應力場分析

圖6 為施工后監(jiān)測點應力數(shù)據(jù)圖（拱頂數(shù)據(jù)取絕對值）。

圖6 施工應力監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖6 可知，三類臺階法施工應力分布形式類似，拱頂及拱腰應力監(jiān)測數(shù)據(jù)較小，不超過4 MPa，拱底應力較大，應力最大值超過18 MPa，且在隧道洞口段及出口段應力值較大，隧道中間部分應力值較小。 由工程實際情況可知，隧道埋深約100 m，埋深較淺，施工作業(yè)區(qū)域豎向應力較大、側向應力較小，拱腰處應力數(shù)據(jù)較小。 采用臺階法開挖，由于上臺階隧道超前作業(yè)，應力釋放較為充分，拱頂處監(jiān)測應力數(shù)據(jù)較小，下臺階滯后開挖應力較為集中，拱底處應力值較大。 受邊界條件影響，隧道在洞口段及出口段應力較為集中，施工至隧道出口段時部分應力已釋放，隧道出口段拱底應力監(jiān)測值小于隧道洞口段應力值。

3.4 塑性區(qū)分析

圖7 為三類臺階法施工作業(yè)后塑性區(qū)分布情況。

圖7 塑性區(qū)分布示意圖

由圖7 可得，三類施工方式塑性區(qū)分布狀況類似，在隧道右側區(qū)域均產(chǎn)生了剪切破壞區(qū)域。 分析可知，施工作業(yè)區(qū)域隧道左右側圍巖埋深存在差異，結合圖5，隧道右拱腰處位移變形量較大，在隧道右側圍巖區(qū)域會形成剪切破壞區(qū)域。 相較于長臺階法，短臺階法以及微臺階法上下臺階循環(huán)間隔較小，應力釋放不夠充分，故會形成更多的剪切破壞區(qū)。

4 臺階法施工效果綜合分析

綜合各臺階法施工作業(yè)后位移場、應力場及塑性區(qū)等因素影響，以豎向位移、側向位移、豎向應力、側向應力、剪切破壞區(qū)以及拉伸破壞區(qū)體積等因素作為評價指標，以CRITIC 算法計算上述各因素指標權重。表2 為各施工方案初始數(shù)據(jù)。

表2 各施工方案初始評價數(shù)據(jù)

分析可知，三類臺階法施工后滲流場及應力場分析形式相似，其中微臺階法施工后隧道附近圍巖變形較小，但隧道右側產(chǎn)生了較大的剪切破壞區(qū)。

由于各評價指標因素量綱存在差異，為消除量綱影響，需對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。 表3 為表2 數(shù)據(jù)歸一化處理后各評價指標數(shù)據(jù)。 根據(jù)歸一化數(shù)據(jù)，采用CRITIC 算法對其進行分析，計算各因素評價指標權重，結果見表4。

表3 評價指標歸一化數(shù)據(jù)

表4 評價指標權重計算結果

由表3 及表4 可分別計算三類臺階法施工方案綜合得分。 上述評價指標均為逆向指標，綜合評分越低，表明該類施工方案適用性越高。 根據(jù)各指標權重數(shù)據(jù)，計算各方案指標數(shù)據(jù)與權重乘積，并加以求和，長臺階法、短臺階法以及微臺階法綜合得分分別為：0.511 4，0.518 9，0.490 8。 在上述三類施工方案中，微臺階法最適于此條件下隧道施工；其次為長臺階法，長臺階法施工隧道能夠使圍巖應力得到較為充分釋放，所產(chǎn)生塑性區(qū)較小；短臺階法施工效果較差，施工后豎向應力較大，且施工后塑性區(qū)體積較大。

按上述分析結果指導實際施工過程，實際施工過程中采用微臺階法施工隧道，支護方式采用錨網(wǎng)噴砼＋錨桿進行初期支護，襯砌進行二次支護。 隧道施工后監(jiān)測隧道頂部及底部圍巖變形，拱頂沉降和拱底隆起值分別約3 cm 和2 cm，與上述模擬結果大致相同，滿足施工要求。

5 結 論

以小麻柳尾礦庫主隧道工程為例，選取主隧道K2＋234.00 ～＋139.00 m 段為研究對象，結合工程實測數(shù)據(jù)資料，采用FLAC3D分別模擬了富水條件下不同臺階步距開挖過程，分析了隧道施工作業(yè)后滲流場、位移場、應力場及塑性區(qū)分布情況，在此基礎上進行綜合分析評價，得到適于富水隧道施工方法，具體結論為：

1） 支護作業(yè)能有效降低圍巖變形。 由隧道監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)可知，錨桿支護對隧道周邊圍巖變形有較大影響，其位移變化循環(huán)周期與錨桿間隔周期一致。由隧道位移云圖可知，二次襯砌支護區(qū)域變形量較小，均小于0.025 m。 因此在實際施工過程中，可通過提高錨桿數(shù)量、進行二次襯砌支護等方式降低隧道圍巖變形。

2） 隧道開挖兩側地表高程變化顯著時，隧道開挖兩側應力存在差異，采用對稱式支護方式時，在埋深較高一側易產(chǎn)生應力集中，造成較大區(qū)域剪切破壞區(qū)域，故對偏壓隧道進行施工時應采取對應措施減少對高應力側圍巖的擾動。

3） 富水條件下隧道施工過程中，長臺階法產(chǎn)生位移較大，但由于上臺階超前開挖循環(huán)較長，應力釋放較為充分，拱頂及拱底應力值較小，拱腰側應力值較大，產(chǎn)生塑性區(qū)體積較小；短臺階法施工位移較小，側向應力也相對較小，但拱頂處應力較大，塑性區(qū)體積也較大；微臺階法施工隧道附近位移最小，但側向應力較大，在側向應力集中區(qū)域產(chǎn)生了較大剪切破壞區(qū)域。綜合多方面因素分析，微臺階法最適于富水條件下隧道施工，其次為長臺階法，短臺階法施工效果較差。