巨跨扁平洞室施工期拱部沉降分析

宋超业，吕书清，贺维国，洪开荣，刘永胜，王 星

(1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300131；2.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458)

0 引言

随着社会的发展，地下空间的开发正朝着大跨度、高利用率的方向发展。一般来说，地下洞室开挖跨度在 14～16 m 时为特大跨度，当开挖跨度大于16 m时为超大跨度。目前，超大跨地下洞室的跨度一般不超过40 m，跨度超过40 m的地下洞室可称作巨跨地下洞室。挪威奥林匹克大厅开挖跨度为61 m，岩石覆盖层为20～50 m，Broch等[1]对其支护体系进行详细研究，明确指出岩洞的整体稳定性主要是水平应力起作用；段建立等[2]利用颗粒流程序建立模型对60 m特大跨度扁平洞室力学行为进行研究,得出其破坏特性、应力分布及稳定性影响因素；吕刚等[3]以八达岭超大跨度隧道工程为背景，提出隧道结构荷载通过圈层传递效应由浅层逐渐向深层传递，各圈层承载力由浅层向深层逐渐增大，并通过围岩圈应力分布的图形分析，可以定量确定围岩加固圈、塑性圈和承载圈的范围及其承载力，并在此基础上采用迭代试算的方法对锚杆、锚索等支护结构进行设计；孙玉龙等[4]采用有限差分软件，以普氏公式为基础，结合过程荷载的理念及施工方法，把超大跨的横断面离散成若干小跨洞室，最后得出考虑施工过程的60 m超大跨扁平地下洞室围岩压力荷载值；秦康等[5]采用三维离散元数值模拟的方法对大跨度拱形扁平地下洞室的开挖过程进行模拟分析，通过对比拱顶位移、衬砌和围岩应变、锚索应力等因素得到断层、节理对洞库开挖的影响并提出解决方案；徐干成等[6]、袁伟泽等[7]对于超大跨度扁平地下工程采用顺序跳格、逆序回挖跳格的开挖顺序，认为纵向跳格开挖宽度取15 m左右、两侧导洞宽度取10 m左右较为合理；孙博等[8]在已有“特征曲线法”的基础上,提出“围岩位移-支护刚度反应曲线法”确定支护体系的平衡条件。

现阶段巨跨洞室工程案例和相关研究较少，对其岩体变形特征的分析主要依靠数值计算，本文结合某跨度>50 m洞室，研究分析其现场变形监测和数值计算结果，提出其稳定性机制，以期为类似洞室的设计和施工提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

某洞室跨度B>50 m，断面高度为14～22 m，矢跨比[9]小于0.25，洞室形态具有巨跨扁平特点，覆跨比为1～2。巨跨洞室断面示意如图1所示。

图1 巨跨洞室断面示意图

洞室处于微风化岩层中，岩体完整，岩体结构类型为中厚层—厚层，岩石单轴饱和抗压强度Rc=70～90 MPa，围岩类别整体为Ⅱ—Ⅲ级，局部裂隙发育区域为Ⅳ1级。岩体物理力学参数如表1所示。场区结构面类型主要为小断层、不整合接触面及节理裂隙等，洞身开挖范围内存在数十条裂隙及断层发育带。主要结构面产状及形态如表2所示。层理倾向稳定，层面较清晰，现场对层面进行剪切试验，显示层面结合紧密，地下水不丰富。

表1 岩体物理力学参数表

表2 主要结构面产状及形态

场区地应力以水平地应力为主，最大水平主应力为3.3～15.9 MPa，侧压力系数平均值为2.7；最小水平主应力为2.6～9.2 MPa，侧压力系数平均值为1.7。

1.2 开挖及支护方案

巨跨洞室采用横向分块，预留中岩柱施工，断面分5部开挖。开挖步序示意如图2所示。Ⅰ部与Ⅱ部、Ⅱ部与Ⅲ部的开挖错距为5 m，Ⅳ部左右中岩柱拆除错距为10 m。系统支护措施采用250 mm厚钢纤维喷射混凝土+9/6 m长短相间砂浆锚杆+20 m长(锚固段长9 m，预加力1 000 kN)预应力锚索组成。

图2 巨跨洞室开挖步序示意图

2 围岩变形特征

2.1 监测布置

围岩变形监测形式分为拱顶沉降监测和岩体内部变形监测2种。拱顶沉降监测用来掌握表层岩体的变形特点，施工过程中可以此实时判定洞室的稳定性；岩体内部变形监测用来了解深部岩体的变形趋势及开挖扰动规律，可以更好地预判岩体变形趋势和指导施工。

拱顶沉降监测采用全站仪，每个监测断面布设测点1—5，监测断面沿洞室轴向间距为10 m，监测断面用K1—K14、K30、K70表示。

围岩内部变形采用四点式多点位移计，测试精度≤0.1%F.S(满量程)。在垂直洞室岩面方向上，距开挖面1、5、9、15 m各布设1个锚固测点。每个断面布设a—g7条测线，沿洞室轴向分别在洞口(1个)、洞尾(1个)、洞身(2个)布设4个监测断面。测点布置横断面如图3所示。

图3 测点布置横断面图

2.2 变形曲线与洞室破坏模式

通常来说，地下洞室围岩的变形曲线可分为3类[10-12]：1)连续介质在应力场调整下的变形。此类变形主要因为岩体卸荷[13]和浅部松弛引起，开挖时变形速率快，开挖完成后迅速趋于收敛，该类曲线一般呈台阶状[14]，为应力控制型变形曲线。当岩体变形由应力控制时，其破坏特点为岩石强度屈服引发的整体失稳。2)不连续介质在应力场调整下的变形。此类变形主要由不连续结构面切割形成的块体的位移引起，开挖时位移陡增，持续时间较长，变形连续性较差，离散性较高，该类曲线一般呈锯齿状，为结构面控制型变形曲线。当岩体变形由结构面控制时，其破坏特点为块体坍塌引发的局部失稳。3)上述2种类型结合而成的变形曲线。持续时间较长，曲线表现为锯齿状和台阶状相结合的特点，为复合控制型变形曲线。

2.3 洞室开挖轮廓变形特征

2.3.1 拱部整体沉降特征

对测点1—5的沉降值进行分析，可得到洞室开挖轮廓的变形特征。洞室各测点沉降汇总如图4所示。最大沉降点监测曲线如图5所示。

图4 洞室各测点沉降汇总

图5 最大沉降点监测曲线

由图4和图5可以看出：1)洞室整体变形较小，拱部测点最终沉降值为0.8～22.8 mm。整体上，Ⅰ部沉降最大，其次为Ⅱ部，沉降最小为Ⅳ部。其中Ⅰ部拱顶测点1沉降值为8.2～22.8 mm，平均值为13.3 mm；Ⅱ部拱顶测点2、4沉降值为0.8～10.6 mm，平均值为4.9 mm；Ⅳ部拱顶测点3、5沉降值为3.3～15.5 mm，平均值为10.2 mm。2)最大沉降点位于K6监测断面Ⅰ部拱顶，沉降曲线在Ⅱ、Ⅲ部开挖时变化不明显，呈缓慢增长趋势，Ⅳ开挖时沉降急剧增加，开挖完成后呈缓慢增长并趋于稳定的趋势。沉降曲线表现为急剧增长—短暂稳定或卸荷回弹—急剧增长的形态分布，为典型的结构面控制曲线。

2.3.2 测点监测结果

本节选取3个代表断面中的测点1、2、3监测结果绘制沉降曲线，如图6—8所示。洞室断面及开挖具有对称性，测点4、5的沉降规律与测点2、3相似，故对测点4、5的沉降不再单独论述。

图6 测点1沉降曲线

由图6可以看出：1)测点1的沉降曲线在Ⅱ、Ⅲ部开挖时增长较缓慢，而在Ⅳ部开挖时沉降急剧增加；2)沉降曲线表现为急剧增长—短暂稳定或卸荷回弹—急剧增长的形态分布，为典型的结构面控制曲线。

由图7可以看出：1)测点2沉降曲线变化剧烈反复，为典型的结构面控制曲线，此过程应力调整复杂，卸荷效应明显，在Ⅳ部开挖时沉降急剧增加，开挖完成后沉降呈缓慢增长趋势；2)拱顶有抬升迹象，持续时间较长，除去卸荷回弹因素外，应为地应力调整所致。

图7 测点2沉降曲线

由图8可以看出：测点3的沉降曲线为台阶状和锯齿状相结合的特点，为复合控制型曲线，整体上以应力控制为主。

图8 测点3沉降曲线

2.4 围岩内部变形特征

对多点位移计中各锚固点的位移值进行分析，可得到岩体内部变形特征。为方便论述，本文根据测点布置和位移趋势暂将洞室轮廓外0～5 m定义为浅层岩体，5～15 m为中层岩体，大于15 m为深层岩体。需要说明的是，多点位移计的安装较为复杂且费时，其数据获取有一定滞后，监测结果不可避免会存在误差。鉴于此，本节仅对多点位移计监测得到的变形趋势及开挖扰动规律进行定性探讨，不对具体数值展开分析。

洞身监测断面位于洞室的中部，覆盖层厚度及岩性较稳定，其岩体内部变形有代表性意义，因此本文仅对洞身断面的岩体内部变形进行分析，对洞口及洞尾监测断面数据不进行探讨。另外洞室断面及开挖具有对称性，测线e、f、g的监测结果与测线b、c、d相似，故对测线e、f、g的监测结果不再单独论述。

2.4.1 测线a监测结果

测线a洞身2个断面多点位移计的监测结果如图9和图10所示。

图9 测线a各测点位移曲线(洞身断面1)

图10 测线a各测点位移曲线(洞身断面2)

由图9可以看出：1)拆除Ⅳ部过程距孔口1 m测点数据变化幅度最大，距孔口5、9 m测点数据变化幅度较小，距孔口15 m测点数据变化不明显；2)Ⅳ部开挖完成后距孔口1 m测点位移仍持续变大，说明拱顶处开挖扰动范围主要存在洞室周边浅层岩体，中层岩体扰动程度小，深层岩体变形基本无变化，且洞室周边浅层围岩受地应力影响较大，出现了微量抬升迹象；3)4个测点的位移曲线均出现跳跃性变化，然后趋于稳定的特征，应力重分布效应明显，岩体变形以应力控制为主。

由图10可以看出: 1)开挖扰动范围主要存在洞室周边浅层岩体，中层岩体扰动程度小；2)测点的位移值出现台阶状和锯齿状相结合的分布特征，为复合控制型曲线；3)从数据上看，2种稳定机制有一定的耦合，整体上以应力控制为主；4)洞室开挖完成后距孔口1 m测点位移仍在不断缓慢变化，说明洞室开挖引起浅层岩体应力调整持续时间较长。

2.4.2 测线b和d监测结果

测线b和d洞身2个监测断面数据一致性较高，故本文仅对1个监测断面的变形特征进行论述。测线b监测结果如图11所示。测线d监测结果如图12所示。

图11 测线b各测点位移曲线

图12 测线d各测点位移曲线

由图11和图12可以看出：1)测线上各测点位移规律较为一致，测点表现出明显的台阶状，局部有锯齿状，总体上由应力控制起主导因素；2)洞室开挖完成后距孔口1、5、9 m测点位移仍在不断缓慢变化，说明洞室开挖引起的浅中层岩体应力调整持续时间较长。

2.4.3 测线c监测结果

测线c洞身2个监测断面数据一致性较高，故本文仅对1个监测断面的变形特征进行论述。测线c监测结果如图13所示。

图13 测线c各测点位移曲线

由图13可以看出：1)距孔口1、5 m测点位移变化较大，距孔口9、15 m测点位移变化不大，说明拱肩附近的开挖扰动范围主要存在于洞室周边浅中层岩体；2)拆除中岩柱过程中，洞室围岩受地应力影响，出现微量上拱现象；3)测点在开挖过程中位移值以锯齿状为主，开挖完成后变形曲线以台阶状为主，为复合控制型曲线；4)从数据上看，2种稳定机制有一定的耦合，整体上以结构面控制为主；5)洞室开挖完成后，各测点位移均有不断缓慢变化趋势，说明洞室开挖引起的应力调整范围较广，持续时间也较长。

3 数值模拟计算

巨跨洞室的工程案例较少，数值计算是设计工作的重要手段和依据。本工程数值计算的应用思路如下：在设计阶段，先初步拟定支护参数，在数值计算的基础上进行岩体稳定性评价；根据计算结果对支护参数进行修改和调整；最终综合对比岩体稳定性、经济性、可操作性等内容选定设计支护参数。施工期间根据地质新揭露情况和现场监测数据，必要时对岩体稳定性重新分析，进而动态调整支护参数。

针对结构面对洞室稳定性具有较大影响的特点，本工程在设计过程中采用三维离散单元程序(3DEC)[15]对洞室沉降进行预测，并对支护措施的合理性进行分析。本节将主要对计算过程和结果进行论述，同时结合监测数据来验证数值计算方法的合理性。

3.1 数值计算模型参数选取

计算模型中包括层理和裂隙等结构面以及隧洞的支护结构，模型建立过程不再进行详细论述。三维计算模型示意如图14所示。层理及主要结构面物理力学参数根据室内试验和现场地质揭露情况，并参照GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》附录D.0.2确定。本工程数值计算选用的岩石和结构面物理力学参数如表3和表4所示。

图14 三维计算模型示意图

表3 岩石物理力学计算参数

表4 主要结构面物理力学参数

3.2 整体变形计算

通过数值计算得到洞室的整体变形特征，其中Ⅲ、Ⅳ部左侧岩柱及Ⅳ部右侧岩柱关键步序开挖支护后的洞室沉降云图如图15—17所示。最大沉降值约29 mm，整体沉降可控，支护措施可行。

图15 Ⅲ部开挖完成位移云图(单位：m)

图17 Ⅳ部右侧岩柱开挖完成位移云图(单位：m)

实测数据与计算结果对比分析如图18所示。可以看出：1)数值计算与实测结果总体规律一致，吻合度较高，最终沉降计算值与实测值偏差在工程应用可接受范围内，能够有效指导工程安全修建，验证了数值计算方法的合理性；2)Ⅳ部开挖引起的沉降计算值较现场实测偏大，主要原因是基于安全考虑，数值计算采用的岩体物理力学参数取值相对保守，且Ⅳ部开挖洞室跨度突变，差异相对明显。

图18 实测数据与计算结果对比分析图

3.3 块体沉降计算

在巨跨洞室稳定性分析中，应重点关注结构面发育区域，尤其是其切割形成的不稳定块体。本洞室主要结构面切割形成的楔形体有1处，处于K30断面里程附近，由L1、L2、L3与开挖面切割形成，块体高约10 m，长、宽均约8 m，体积约102 m3。楔形体位置及尺寸示意如图19所示。

图19 楔形体位置及尺寸示意图(单位：m)

数值计算得出的楔形体沉降云图如图20所示。在系统支护作用下，楔形体沉降可控且未发生滑移现象，支护措施可行。

图20 楔形体位移云图(单位：m)

现场施工过程洞室未出现掉块现象，楔形体附近布置的测点1和2沉降曲线如图7和图8的K30断面，沉降曲线为典型的结构面控制曲线。

楔形体区域的测点沉降实测值和数值模拟计算结果有一定差异，这属于正常现象，主要原因有2个：一是现有手段难以摸清结构面在岩体内部的分布情况，导致块体形态难以准确判定；二是设计一般采用最不利结构面分布，块体形态和实际会有一定出入。从工程应用角度，在数值计算中，分析块体具体沉降数值对稳定性评判意义不大，应重点关注块体是否沿结构面发生滑移。

4 巨跨洞室围岩变形特征分析

由现场监测结果和数值模拟计算，并结合洞室的地质条件、地应力及开挖步序，对巨跨洞室的变形特点进行分析，得出其变形特征如下。

1)巨跨洞室整体沉降较小，洞室拱部最终沉降值为0.8～22.8 mm。巨跨洞室围岩变形受地质条件、地应力、结构面等因素影响，洞室整体沉降具有一定的离散性，结构面分布区域的沉降值较大，施工过程应重点关注结构面附近区域的变形情况。

2)巨跨洞室总体上Ⅰ部拱顶沉降最大，Ⅳ部拱顶沉降最小，Ⅳ部拱顶沉降约为Ⅰ部拱顶沉降的37%，这与其分部开挖、预留中岩柱的开挖方式有关。

3)巨跨洞室开挖Ⅰ至Ⅲ部过程拱顶沉降变化较缓慢，拆除中岩柱即Ⅳ部拱顶沉降急剧增加，Ⅳ部开挖引起的沉降占总沉降的40%～60%。Ⅳ部中岩柱拆除是洞室由小跨变大跨的过程，此过程是应力场调整最剧烈的过程，两侧中岩柱不宜同时拆除。

4)巨跨洞室的变形曲线呈现缓慢增长的台阶状和急剧变化的锯齿状相结合的发展特点，可以判定巨跨洞室破坏为应力控制的整体失稳与结构面控制的局部失稳相结合的特点。从岩体内部变形曲线看出，洞室周边浅表层岩体变形受结构面、岩体卸荷和开挖爆破的影响，多以锯齿状为主，为结构面控制型主导曲线，而中深层岩体曲线多以台阶状为主，为应力控制型主导曲线。因此，巨跨洞室支护应从整体稳定和局部稳定2方面进行设计。

5)从岩体内部变形曲线看出，开挖对深层岩体的影响程度较弱，不同部位的开挖扰动范围也有一定差异。在本工程地质条件下，开挖引起的拱顶扰动范围要小于拱肩部位扰动范围。

5 结论与建议

巨跨洞室的研究目前在我国还处于初步探索阶段，本文通过对洞室变形监测结果和三维数值分析，并结合洞室的地质条件及开挖步序，得到主要结论与建议如下：

1)在本工程地质条件下，巨跨洞室整体变形不大，其中中岩柱拆除步序引起的沉降占总沉降的40%～60%，此步序为成洞最为关键的步序，在施工过程中应重点关注。

2)巨跨洞室的变形由应力分布和结构面双重控制。其中，洞室周边浅表层岩体变形主要由结构面控制，而中深层岩体变形主要由应力场控制。根据此变形特征，建议在后续研究中分析不同支护措施对浅中深层岩体变形的影响。

3)现有的监测手段较难获取准确的岩体内部变形值，因此本文对岩体内部变形仅进行了定性探讨，后续工作建议结合数值模拟对岩体内部变形进一步研究。