斜井盾构掘进时富水围岩变形特性模拟分析

马君伟，王贤能，林明博

(深圳市工勘岩土集团有限公司，广东 深圳 518026)

在煤矿斜井施工过程中，常常遭遇富水软岩地层围岩。若不能准确掌握这些围岩在掘进中的变化规律，从而采取合适的处置方法，就容易发生斜井垮塌涌水和卡盾抱箍等施工事故。如果斜井坡度大，使用盾构掘进时将面临新的围岩特性变化，因此必须对大坡度斜井围岩变化特性进行研究，以指导施工。

软岩条件下围岩稳定性的研究成果较多。赵术江[1]对新疆沙吉海煤矿工程地质条件、岩石物理力学特性及围岩结果成分进行研究，总结了软岩巷道变形破坏特性，确定了影响软岩巷道围岩稳定性的主控因素；王天佐[2]通过直剪蠕变试验，得出了软岩蠕变状态随剪应力变化的规律；贾善坡等[3]根据莫尔库伦准则，建立了黏土岩耦合模型，为软岩隧洞变形的建设和施工提供了理论依据；伍永平等[4]研究了富水隧洞围岩的破坏失稳机理，认为屈服面位移及应力矢量呈非线性、非稳态变化，有效应力变化和塑性区失稳的前提条件是隧洞孔隙水压力矢量方向的改变，同时剪切变形局部化也是一个重要原因；崔增辉[5]、储昭飞等[6]、李权[7]、刘浩旭等[8]等对软岩条件下的盾构掘进过程进行数值模拟，总结了周边围岩的应力应变规律。以上研究针对软弱围岩特性展开研究，只考虑盾构、斜井和软岩中的一个或两个条件；而在数值模拟方面，也未对渗流与无渗流两种工况进行对比研究。

熊良宵[9]、熊晓晖[10]、盛素玲[11]等对渗流场作用下平洞与斜井的围岩力学特性进行对比研究，得出坡度对隧道各点孔隙水压力、最大主应力和变形的影响，但未对不同埋深条件下的坡度影响作进一步的研究。

本文结合考虑软岩、斜井和盾构三种条件，对比渗流与无渗流两种工况，研究斜井盾构施工中软弱围岩的变形特性。同时将坡度对围岩的影响放置在不同埋深条件下，以研究坡度对软岩稳定性的影响，结果可为其他不同埋深条件下的斜井盾构工程施工提供参考。

1 工程地质概况

项目依托的煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市境内，矿井生产能力约为20 Mt/a，矿井面积130.9 km2，可开采量约为1 430 Mt，其单井生产能力居世界第一。

本文主要研究K1+965.443至K2+075.628段，模拟计算的斜井主要用作辅助运输巷道，斜井总长2 744.54 m，明挖段26.316 m、盾构段2 718.224 m，井筒净直径为6.6 m，斜井坡度5.5°。缓冲台长50 m，每1 000 m设置一个。主要地层岩性见表1。

表1 主要地层岩性特征

第四系全新统(Q4)主要为风积砂和冲洪积卵砾石层，风积砂广泛分布于地表，粒级多为细粒，多呈波状起伏沙丘，厚度约4.5～22.6 m。

下白垩-上侏罗统志丹群(J3-K1zh)在场地内分布厚度较小，在冲沟地段两侧部分出露于地表，总体趋势沿井筒中心线东段较薄，西段较厚，平均厚度约40 m。

侏罗系中下统延安组(J1-2y)地层为本区的主要含煤地层，地表无出露，为一套陆相碎屑含煤构造，本次揭露最大厚度为110 m，层位分布稳定。

2 数值分析模型

斜井埋深为11.0～281.1 m，砂质地层占总埋深的97%。因斜井穿越的第四系风积细砂、志丹群中粒砂岩、延安组细粒砂岩段地下水丰富，岩层透水性较好，对斜井盾构施工影响较大，因此对该区域段进行数值模拟，对斜井开挖过程中的围岩及衬砌稳定性进行研究。有限元计算模型如图1所示。初始条件只考虑围岩及结构自重、地下水的渗流影响，计算模型取自无反冲平台段，长度为50 m。

图1 计算模型

根据地质资料，模型尺寸设计为100 m(长)×100 m(宽)×50 m(高)。根据隧道埋深情况，盾构到边界距离按3～5倍洞径选取，整个模型划分为39 400个单元，42 566个节点。对盾构开挖过程的模拟采用释放单元节点处荷载的方法进行。采用有限元程序提供的激活单元和杀死单元以及材料参数变换等功能模拟盾构隧道的掘进、管片拼装的过程。其中，盾构、间隙体、注浆体和地层参数见表2和表3。

表2 盾构及注浆体力学材料参数

表3 岩土体力学材料参数

3 斜井盾构掘进围岩变形特征

3.1 盾构断面变形分析

计算中模拟隧道开挖时，根据采用有限元程序提供的“生”与“死”及材料参数变换功能进行处理，通过分次杀死单元和分次激活单元和变换不同位置的材料参数来模拟盾构隧道的掘进、管片拼装的过程。

图2为盾构掘进过程中围岩三维变形云图。

图2 盾构收敛变形云图

从图2的斜井断面三维变形图可以看出，洞室围岩变形有明显的空间效应，当开挖面前方超过2D的距离后，围岩受洞室开挖的影响很小。开挖对洞顶上方的影响距离约为2D(D为隧道开挖直径)。

斜井开挖过程中，考虑隧道开挖卸荷影响，卸荷时间间隔设置为2 h，分2步进行，以模拟隧道不同时间不同卸荷水平的影响。斜井在掘进过程中围岩的塑性和卸荷区域分布见图3。图中色块百分比主要指各区域的卸荷率。

图3 斜井在不同掘进时间下围岩的塑性和卸荷区域分布

洞室围岩塑性区域主要分布在洞室拱腰附近，呈X型分布。在斜井盾构掘进中，随着洞室开挖深入，在洞室的拱顶、拱底及开挖面附近都出现了卸荷，卸荷率主要为40%～60%，卸荷区域的体积呈线性增加。

3.2 围岩位移

沿盾构纵向间隔8 m选择若干观测断面，每个观测断面选取顶部、底部和左右两侧4个监测点。顶部和底部监测竖向位移，左右两侧监测水平位移。图4显示盾构掘进至40 m位置的位移变化曲线。

图4 监测点位移纵向变化情况

指向坐标轴原点为开挖方向。拱顶和底部变形值，正值为沉降，负值为隆起；拱腰处变形，正值为向右变形，负值为向左变形。

从图4可以看出：掌子面位置为40 m处，0～40 m范围内为掌子面后方，40～100 m为掌子面前方。目标观测面附近最大隆起量发生在开挖面后方3～5 m范围内；目标观测面附近最大沉降量发生在开挖面前方10～15 m范围内。

将开挖面上各点变形情况绘制为图5。由图5可知，隧洞围岩向隧道中心收缩变形，其中顶部和底部的纵向收缩程度较两侧的横向收敛变形大，隧洞呈现椭圆形变化趋势。

图5 压扁效应示意图(单位：cm)

3.3 渗流条件

在隧洞围岩渗流的全过程中，水与围岩的相互作用始终存在，是隧洞围岩变形的重要因素，因此研究水头对斜井围岩和结构变形的影响具有重要意义。取距离洞口40 m处围岩为对象，比较其在有无渗流两种情况下，隧洞周边围岩的变形情况，结果如图6。

图6 有渗流和无渗流情况下隧道顶部围岩变形

图6表明，有无渗流作用情况下，随着开挖过程的进行，盾构周围围岩的变形规律相似。但考虑渗流作用下，盾构周围围岩变形量要比不考虑渗流作用下的变形量大，最大相差10 cm。为便于分析，将附近一点处的两种情况变形绘制于图7中。

图7 考虑渗流与否盾构周围围岩变形(单位：cm)

从图6和图7可知：在渗流作用下，围岩产生了更加明显的收缩，无渗流作用下的围岩变形约为渗流作用下的围岩变形的50%，围岩的渗流作用使得盾构管片压扁效应更为明显。

4 不同埋深下斜井坡度对围岩位移的影响

将盾构周围4个监测点围岩变形随开挖的变化绘制于图8中。

图8 监测断面围岩变形曲线

由图8可知，盾构掘进周围土体各部分受到的扰动效果不一样:拱顶变形为3.5 cm，较其他三处位移偏大，说明拱顶处受开挖扰动最大。盾构周围关键部位受盾构施工扰动程度为：顶部>两侧>底部。因此，考虑斜井坡度与盾构掘进过程中围岩位移关系时，应重点研究在盾构顶部和两侧位移的变化情况。

考虑纵坡值分别为0°、2°、4°、6°、8°和10°，埋深分别为20 m、40 m、60 m、80 m和100 m几种工况，将盾构开挖掘进过程中引起的盾构顶部和侧向监测点位移绘制于图9。

图9 各坡度监测点位移

由图9可以看出：

(1)当斜井纵坡坡度<4°时，盾构顶部监测点竖向位移与侧向监测点水平位移相差较小，但均随斜井埋深的增大而增大。

(2)当斜井纵坡坡度>4°后，盾构掘进引起的顶部竖向位移与侧向水平位移间差值随着埋深的增加而逐渐增大。

(3)无论坡度如何变化，顶部竖向位移值始终大于侧向水平位移值，表明拱顶受开挖扰动的影响最大。

(4)坡度越大，侧向水平位移越小，而顶部竖向位移变化较小。

5 结论

(1)开挖对洞室围岩影响范围主要在掌子面前后1倍洞径内，超过2倍洞径后，其影响程度较小，而对于洞顶上方的影响范围，其距离大约为2倍洞径。

(2)隧洞的塑性区集中在拱腰区域，呈X形状分布。随着隧洞开挖的进行，隧洞围岩出现卸荷效应，其卸荷率为40%～60%，其卸荷区域的体积呈线性增加。斜井盾构在富水软岩中掘进时，隧洞周围围岩向隧道中心收敛变形，其中顶部和底部的纵向收缩程度较拱腰两侧的横向收敛变形较大，隧洞呈现椭圆形变化趋势。最终的渗流作用下的围岩变形约是无渗流作用下的2倍，椭圆形变化趋势加剧。

(3)盾构掘进面前方土体各部分受到的扰动效果不同，盾构周围关键部位受盾构施工扰动程度为：顶部>两侧>底部。

(4)斜井坡度大于4°时，顶部竖向位移与侧向水平位移间差值随着埋深的增加而逐渐增大。