砂礫石隧洞設(shè)計(jì)優(yōu)化

楊賜金

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000)

水工隧洞是一種廣泛應(yīng)用于市政、能源和水利工程等許多國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的地下結(jié)構(gòu)物.確定襯砌結(jié)構(gòu)所承載的圍巖壓力是隧洞設(shè)計(jì)的重點(diǎn)基礎(chǔ)工作之一.筆者以新疆某砂礫石土洞為例，通過對(duì)圍巖釋放比的控制模擬，研究該類水工隧洞設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法.

1 工程概況

新疆某隧洞洞身段主要位于砂礫石地層內(nèi)，隧洞全長1.8 km，隧洞縱坡為1/1 000，為無壓明流隧洞，馬蹄形斷面，洞徑6.2 m.洞身段圍巖主要由中更新統(tǒng)沖積砂礫石層(Qal2)組成，結(jié)構(gòu)密實(shí)，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1.上覆土層厚50～68 m，地下水位低于隧洞底板，成洞條件差，圍巖類別為Ⅴ類，穩(wěn)定性差，且圍巖內(nèi)可能分布有松散的砂層透鏡體，巖石堅(jiān)固系數(shù) f為 0.73，單位抗力系數(shù) K0為 100～200 N/cm3，縱波速 Vp為1 000 ～1 200 m/s.

表1 巖土主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2 隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)文獻(xiàn)［1］規(guī)定，對(duì)于能形成塌落拱的土洞，作用在土洞襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力(荷載)可按松動(dòng)介質(zhì)平衡理論估算圍巖壓力，而且土洞的襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算，一般不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，只是將其作為安全儲(chǔ)備，全部荷載均由襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān).若支護(hù)結(jié)構(gòu)控制住變形，即洞周土體變形達(dá)到基本穩(wěn)定，可視具體情況適當(dāng)減少襯砌結(jié)構(gòu)所承受的土壓力.那么，確定支護(hù)承擔(dān)的土壓力比例有利于隧洞的設(shè)計(jì)優(yōu)化.

隧洞支護(hù)斷面距離開挖掌子面的距離越大，則支護(hù)斷面處圍巖釋放的應(yīng)力越大，作用到支護(hù)上的荷載越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)也偏于經(jīng)濟(jì).與此同時(shí)，由于圍巖不可能是絕對(duì)的均質(zhì)體，則支護(hù)斷面距開挖掌子面距離越大造成塌方冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)越大.就無膠結(jié)砂礫石地層圍巖而言，因其泊松比較大，無粘聚力，圍巖應(yīng)力釋放快，更容易產(chǎn)生破壞性變形.如何選取相對(duì)經(jīng)濟(jì)和安全的支護(hù)參數(shù)就成為需要進(jìn)一步研究的課題.

2.1 支護(hù)受力計(jì)算

砂礫石作為散粒體結(jié)構(gòu)，臨空面不存在彈性狀態(tài)，從掌子面開挖到支護(hù)過程段，塑性區(qū)可能迅速發(fā)展并變化到危險(xiǎn)的松動(dòng)狀態(tài).要發(fā)揮圍巖的自承能力，需從以下2方面考慮:一方面不能讓圍巖進(jìn)入松動(dòng)狀態(tài)，以保持圍巖的自承力;另一方面又必須允許圍巖進(jìn)入一定程度的塑性，以使圍巖自承力得以最大限度的發(fā)揮［2］.

塑性區(qū)的發(fā)展變化是一個(gè)初期應(yīng)變和應(yīng)力(或強(qiáng)度)同向增長，后期應(yīng)變增長而應(yīng)力(強(qiáng)度)逐漸降低的過程.為保證隧洞結(jié)構(gòu)安全，并使結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)性，就需要合理確定支護(hù)參數(shù).能使隧洞圍巖維持極限平衡狀態(tài)下的支護(hù)抗力即為最優(yōu)支護(hù)，該支護(hù)抗力可由文獻(xiàn)［3］中芬納公式求得:

式中:Pi為維持極限平衡狀態(tài)所需的支護(hù)抗力，MPa;C為圍巖巖體或土體的粘聚力，MPa;r0為開挖半徑，m;φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°);R0為對(duì)應(yīng)Pi的塑性區(qū)半徑，m;R為對(duì)應(yīng)Pi的松動(dòng)區(qū)半徑，m.

2.2 優(yōu)化分析

由于支護(hù)至開挖掌子面間裸洞是因隧洞圍巖的應(yīng)力釋放特性而保持自身穩(wěn)定的，可認(rèn)為該段裸洞承擔(dān)了未釋放部分的應(yīng)力，而支護(hù)設(shè)置也以承擔(dān)該部分應(yīng)力為依據(jù).如果在跟進(jìn)支護(hù)距離允許范圍內(nèi)設(shè)置適宜的支護(hù)，即可認(rèn)為該范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力不再進(jìn)一步釋放，支護(hù)的設(shè)計(jì)可按照未釋放部分應(yīng)力進(jìn)行(應(yīng)適當(dāng)預(yù)留安全余度;在襯砌設(shè)計(jì)時(shí)，按規(guī)范不考慮支護(hù)作用，該部分應(yīng)力轉(zhuǎn)由襯砌承擔(dān)).

根據(jù)三維有限元法計(jì)算的馬蹄形斷面開挖面的空間釋放效應(yīng)可取得未釋放部分的圍巖應(yīng)力，利用開挖面的空間效應(yīng)，得出計(jì)算斷面至掌子面的距離與計(jì)算斷面應(yīng)力釋放的關(guān)系，未釋放的部分可認(rèn)為是圍巖提供給計(jì)算斷面的剩余支護(hù)抗力.計(jì)算斷面的應(yīng)力釋放系數(shù)取為A，則Pi= (1 －A)P，將 Pi=(1 －A)P代入公式(2)可得

將該工程隧洞砂礫石地層相關(guān)參數(shù)代入公式(4)，可求得不同釋放系數(shù)時(shí)塑性區(qū)及破壞區(qū)的特征半徑，見表2.

表2 圍巖受力分區(qū)計(jì)算成果

對(duì)于無膠結(jié)砂礫石隧洞，因其不具有膠結(jié)性，在輕微的擾動(dòng)情況下即有可能造成掉塊、坍塌等現(xiàn)象.另外，計(jì)算結(jié)果表明，無膠結(jié)砂礫石圍巖內(nèi)雖存在塑性區(qū)，但塑性區(qū)與破壞區(qū)的過渡帶非常狹窄，必須采取措施限制其塑性區(qū)的發(fā)展.該工程擬選用塑性區(qū)為零時(shí)的條件以降低施工難度，即取A=0.588作為施工控制參數(shù).應(yīng)用該控制參數(shù)，即可由圖1計(jì)算得到施工控制的支護(hù)面與掌子面之間的距離.

圖1 理想的應(yīng)力釋放關(guān)系曲線

根據(jù)擬定的支護(hù)至掌子面的距離，由下式推求支護(hù)處等效荷載釋放系數(shù)

式中:A為計(jì)算斷面的荷載釋放系數(shù);A0為開挖掌子面處的荷載釋放系數(shù);L為計(jì)算斷面至掌子面的距離，m;g 可近似取 0.7r0.

根據(jù)以上的分析計(jì)算，將擬定計(jì)算斷面處的荷載釋放系數(shù)作為確定量，在公式(5)中L即計(jì)算斷面至掌子面的距離，就是該式中唯一的未知量.經(jīng)計(jì)算，可得L=0.2D=1.52 m，施工中可控制一次支護(hù)距掌子面距離不大于1.50 m，并根據(jù)具體施工情況予以調(diào)整.假定掘進(jìn)速度以等速推進(jìn)，還可求得支護(hù)相對(duì)于開挖掌子面的合理滯后時(shí)間.

3 結(jié)語

通過對(duì)砂礫石土洞圍巖特性分析，確定支護(hù)施作時(shí)圍巖應(yīng)力釋放比為58%，支護(hù)施工期承載42%圍巖壓力，并最終由襯砌承擔(dān).按此設(shè)計(jì)思路進(jìn)行隧洞設(shè)計(jì)，最終襯砌厚度為50 cm，較不做優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案襯砌結(jié)構(gòu)減薄37.5%，降低工程總投資約17%.目前，工程已投入運(yùn)行近3年，運(yùn)行情況良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.

筆者所提出的計(jì)算方法雖已得到工程實(shí)例驗(yàn)證，但仍有其局限性:①研究主要針對(duì)特定對(duì)象進(jìn)行，而該工程地下水埋藏較深，沒有地下水的影響.若地下水高于隧洞底板，將顯著改變砂礫石圍巖的工程特性，此種情況建議仍按照散體理論坍落拱計(jì)算襯砌受力;②與無膠結(jié)砂礫石圍巖不同，對(duì)有膠結(jié)的軟巖隧洞則可利用中后期的塑性變形，可選擇破壞區(qū)半徑略小于開挖半徑的參數(shù)作為控制條件.

［1］水利部東北勘測設(shè)計(jì)研究院.SL 279—2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［2］張作光.瓦屋山水電站引水隧洞施工期圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.成都:四川大學(xué)，2006.

［3］徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.