軟巖隧洞的支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

邱 敏，鹿 寧

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

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軟巖隧洞的支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

邱 敏，鹿 寧

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

由于軟巖的力學(xué)參數(shù)較低，開(kāi)挖后變形明顯，塑性區(qū)深度較大，支護(hù)措施的設(shè)計(jì)具有很大難度，把握不好就會(huì)造成支護(hù)措施的浪費(fèi)或者出現(xiàn)支護(hù)破壞問(wèn)題，因此有必要對(duì)如何設(shè)計(jì)合適的支護(hù)措施做進(jìn)一步的研究。通過(guò)巖體地質(zhì)分類(lèi)系統(tǒng)確定量化的支護(hù)時(shí)機(jī)，通過(guò)軟巖隧洞進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算得到支護(hù)方案。該方法只需通過(guò)平面有限元計(jì)算即可較快地得到支護(hù)時(shí)機(jī)和相應(yīng)的支護(hù)措施。筆者在印尼某水電站引水隧洞中采用該方法進(jìn)行了支護(hù)計(jì)算，說(shuō)明了該方法在軟巖隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)便、可行。

軟巖；隧洞；支護(hù)

0 前 言

隨著越來(lái)越多地下工程的建設(shè)，各種復(fù)雜地質(zhì)條件在地下工程中均可能出現(xiàn)。其中在軟巖中開(kāi)挖的長(zhǎng)距離隧洞工程，其支護(hù)措施和支護(hù)時(shí)機(jī)的確定一直是工程建設(shè)中存在的難題。20世紀(jì)60年代，拉布采維茨將新奧法應(yīng)用于地質(zhì)不良的奧地利的馬森貝格道路隧道中，由此開(kāi)創(chuàng)了新奧法作為隧道設(shè)計(jì)方法的先河；經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐，新奧法理論已被廣泛應(yīng)用于地下工程的開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)中。新奧法理論即是盡量利用圍巖自承能力支撐洞室穩(wěn)定，而這個(gè)“盡量”即是最大化地發(fā)揮圍巖自身的承載作用，確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。所謂確定支護(hù)時(shí)機(jī)，就是將圍巖自承能力確定在一個(gè)恰當(dāng)?shù)臄?shù)值，這就要求支護(hù)應(yīng)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候敷設(shè)，過(guò)早或過(guò)遲均不利。其支護(hù)剛度也不能太大或太小，必須是能與圍巖密貼的柔性薄層，允許有一定變形，以使圍巖釋放應(yīng)力時(shí)起卸載作用，但不會(huì)有彎矩破壞的可能。

1 相關(guān)理論

1.1 應(yīng)力釋放

巖體在開(kāi)挖過(guò)程中，是開(kāi)挖巖體部分的應(yīng)力釋放過(guò)程。而開(kāi)挖后應(yīng)力釋放則是由于臨空面產(chǎn)生后，圍巖由3軸受壓狀態(tài)改變?yōu)殡p軸受壓狀態(tài)，失去有效壓應(yīng)力后逐漸變?yōu)樗沙跔顟B(tài)的漸進(jìn)過(guò)程。如果圍巖材料是彈性材料，其彈模的徑向變形可等效為一個(gè)拉應(yīng)力逐漸增加的過(guò)程，直到拉應(yīng)力等于初始地應(yīng)力時(shí)，其徑向變形也靜止不變。因此，實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程是一個(gè)臨空面壓應(yīng)力由初始地應(yīng)力減小為零的過(guò)程，根據(jù)此理論，研究者提出采用逐步降低“反轉(zhuǎn)地應(yīng)力”的方法模擬圍巖開(kāi)挖后應(yīng)力釋放過(guò)程。在有限元模型中，“反轉(zhuǎn)地應(yīng)力”通過(guò)在開(kāi)挖邊界上作用與原有支撐力相反的等效結(jié)點(diǎn)力來(lái)模擬，具體公式為：

(1)

式中：σj為第j-1次開(kāi)挖引起地應(yīng)力重分布后的應(yīng)力場(chǎng)； [Bi]為開(kāi)挖掉單元i的幾何矩陣；a為地應(yīng)力釋放系數(shù)。

另外，如果圍巖材料為彈性材料，文獻(xiàn)[1]提出，應(yīng)力釋放可以通過(guò)逐步降低開(kāi)挖體的彈性模量來(lái)進(jìn)行模擬，即彈性模量折減法。

1.2 隧洞開(kāi)挖縱向變形曲線

隧洞開(kāi)挖的過(guò)程是一個(gè)三維動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著掌子面的推進(jìn)，巖體應(yīng)力、臨空面變形也隨之變化。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)展了隧洞開(kāi)挖的分析研究[2-3]。其中三維效應(yīng)歸納為2個(gè)方面：① “空間效應(yīng)”，即掌子面約束作用所產(chǎn)生的影響。距掌子面越近，影響越大，距掌子面越遠(yuǎn)，影響越小，到達(dá)某種距離后影響基本上可以消除。② “時(shí)間效應(yīng)”，遠(yuǎn)離掌子面影響距離，變形仍然隨時(shí)間而增大的這一現(xiàn)象。以上2種效應(yīng)對(duì)一般巖體來(lái)說(shuō)，前者占絕對(duì)影響，后者極難見(jiàn)到，一般僅存在高地壓的蠕變巖體中。

隧洞由于其軸向長(zhǎng)度相對(duì)于其開(kāi)挖跨度往往相差百倍，開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算往往采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析；而平面模型僅模擬隧洞橫斷面，其掌子面推進(jìn)的三維效應(yīng)很難考慮。三維模型雖然可以考慮掌子面的三維效應(yīng)，但往往因?yàn)槿S模型計(jì)算量大，時(shí)間長(zhǎng)，所要求的技術(shù)難度高而很難在工程中廣泛應(yīng)用。所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始探索構(gòu)造一條能夠反映徑向位移和掌子面進(jìn)尺之間關(guān)系的函數(shù)曲線，以之運(yùn)用于平面模型計(jì)算中，取代三維模型計(jì)算。2008年，Unlu and Gercek[4]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)提出了能準(zhǔn)確反映圍巖塑性，而且能考慮塑性區(qū)影響的隧道位移隨開(kāi)挖面(撐子面)的變化曲線-LDP(LONGITUDINAL DEFORMATION PROFILE)曲線的公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Rp為最大塑性區(qū)深度，m；u0為掌子面的徑向位移，m；Rt為隧洞半徑，m；X為開(kāi)挖斷面到掌子面的距離(即無(wú)支護(hù)長(zhǎng)度)，m；umax為最大徑向位移，m。

通過(guò)求解曲線，就將平面模型中的計(jì)算結(jié)果與掌子面推進(jìn)距離建立了關(guān)系。

1.3 地質(zhì)巖體分類(lèi)

目前工程地質(zhì)工作中對(duì)于圍巖分類(lèi)方法眾多，其中常用的分類(lèi)方法是國(guó)際《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的BQ法、地質(zhì)力學(xué)系統(tǒng)的RMR分類(lèi)方法及巴頓等人提出的巖體質(zhì)量分類(lèi)Q系統(tǒng)法。BQ法多見(jiàn)于國(guó)內(nèi)工程，國(guó)外工程中多采用RMR法和Q系統(tǒng)法[5]。蔡斌、喻勇、吳曉銘[5]在經(jīng)過(guò)大量工程分類(lèi)資料的基礎(chǔ)上，得到了BQ法與RMR法、Q系統(tǒng)法之間轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)公式[6]。工程巖體質(zhì)量指標(biāo)BBQ值與Q 系統(tǒng)法分類(lèi)指標(biāo)Q值呈指數(shù)關(guān)系，其關(guān)系為：

BBQ=69.44ln(Q)+161

(6)

工程巖體質(zhì)量指標(biāo)[BBQ]值與地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)RRMR值呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為：

BBQ=6.0943RRMR+80.786 (R=0.81)

(7)

根據(jù)總結(jié)多年的工程實(shí)踐，巴頓1974年提出了掌子面到支護(hù)面的最大距離(即無(wú)支護(hù)長(zhǎng)度)公式，如下：

(8)

式中：S為掌子面到支護(hù)面的最大距離；EESR為開(kāi)挖支護(hù)比；Q為Q值。

由此，無(wú)論工程采用何種巖體分級(jí)方法，均可以通過(guò)公式(8)求出最大無(wú)支護(hù)長(zhǎng)度，這就為支護(hù)時(shí)機(jī)的判斷給出了量化依據(jù)。

2 分析思路

通過(guò)第1.3節(jié)所述的巖體分類(lèi)方法，換算出不同巖體分級(jí)下的無(wú)支護(hù)長(zhǎng)度。而第1.2節(jié)LDP曲線的計(jì)算則可求出該長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的徑向圍巖變形，也即是開(kāi)挖至掌子面時(shí)，未支護(hù)巖體與支護(hù)巖體相鄰處的徑向變形。按照從此處開(kāi)始進(jìn)行支護(hù)考慮(可根據(jù)實(shí)際情況取安全系數(shù))，則可以通過(guò)此處的變形反推圍巖承擔(dān)的地應(yīng)力或者應(yīng)力釋放率，從而得出支護(hù)時(shí)機(jī)以及支護(hù)措施承受的荷載。

3 工程案例

本文依據(jù)上述思路，采用平面有限元對(duì)某水電站引水隧洞進(jìn)行了圍巖支護(hù)計(jì)算。

某水電站位于印度尼西亞西爪哇島，為長(zhǎng)引水式電站。引水隧洞全長(zhǎng)約2 192 m，采用馬蹄形斷面開(kāi)挖，最大開(kāi)挖跨度為5.9 m。依據(jù)RMR分級(jí)，引水隧洞途經(jīng)洞段圍巖為3類(lèi)新鮮角礫巖和4類(lèi)新鮮黏土巖，單軸抗壓強(qiáng)度分別為15 MPa和5 MPa，均為軟巖。引水隧洞所處最大平均埋深130 m。

本文以3、4類(lèi)新鮮黏土巖洞段為例，對(duì)比及時(shí)支護(hù)和適時(shí)支護(hù)2種情況下，圍巖的位移、塑性區(qū)分布以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。

3.1 地質(zhì)巖體分類(lèi)和力學(xué)參數(shù)

巖體分類(lèi)及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖體分類(lèi)及力學(xué)參數(shù)表

3.2 地應(yīng)力模擬

對(duì)于軟巖，可根據(jù)海姆假說(shuō)[7]確定地應(yīng)力場(chǎng)，假定巖體是理想的塑性體，地應(yīng)力隨深度按自重增加。所以，圍巖初始地應(yīng)力如表3所示。

表3 初始地應(yīng)力表

注：k為側(cè)壓系數(shù)。

3.3 支護(hù)時(shí)機(jī)確定

按照第1.3節(jié)和第1.2節(jié)所述進(jìn)行計(jì)算，可得到各類(lèi)巖石的無(wú)支護(hù)最大跨度、圍巖徑向變形和應(yīng)力釋放率。具體見(jiàn)表4。

表4 巖體無(wú)支護(hù)最大跨度、圍巖徑向變形和應(yīng)力釋放率表

3.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)以上的計(jì)算，3類(lèi)巖體的無(wú)支護(hù)長(zhǎng)度是2.4 m,支護(hù)措施為15 cm厚的掛網(wǎng)噴射混凝土，錨桿長(zhǎng)4.5 m，間排距1.5 m×1.5 m；4類(lèi)巖體的無(wú)支護(hù)長(zhǎng)度是1.1 m,支護(hù)措施為15 cm厚的掛網(wǎng)噴射混凝土，錨桿長(zhǎng)4.5 m，間排距1.5 m×1.5 m，鋼支撐采用H203×89×19.3，間距1.5 m。

適時(shí)和及時(shí)支護(hù)2種情況下的圍巖位移、塑性區(qū)深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算結(jié)果表

通過(guò)計(jì)算，可見(jiàn)當(dāng)及時(shí)支護(hù)與適時(shí)支護(hù)雖然支護(hù)時(shí)機(jī)不同，但在相同支護(hù)情況下，3類(lèi)和4類(lèi)圍巖的屈服深度隨支護(hù)時(shí)機(jī)的延后都有所增加，兩者規(guī)律基本一致，其中3類(lèi)巖石的塑性區(qū)深度變化更大。由于及時(shí)支護(hù)情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了圍巖開(kāi)挖后所有荷載，所以其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明顯大于適時(shí)支護(hù)，變形大于適時(shí)支護(hù)，而且噴射混凝土的應(yīng)力超過(guò)了允許應(yīng)力15 MPa。而適時(shí)支護(hù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足噴射混凝土允許應(yīng)力，變形也小，采用適時(shí)支護(hù)滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全要求。計(jì)算顯示，3類(lèi)和4類(lèi)圍巖噴混凝土的變形和支護(hù)應(yīng)力規(guī)律與之一致，其中3類(lèi)巖石的變化更大。由此可見(jiàn)，圍巖分級(jí)越高，彈模越大，圍巖荷載釋放的就越多，其適時(shí)支護(hù)所取得的效果就越好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了確定支護(hù)時(shí)機(jī)的量化方法，并用于軟巖隧洞的開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)中,得到了一些有益的成果。

從中可見(jiàn)，采用適時(shí)支護(hù)解決了軟巖圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，并證明了合理的選擇支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)于軟巖洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性；不合適的支護(hù)時(shí)機(jī)往往會(huì)增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，而合理的支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇不僅節(jié)約工程材料、降低工程造價(jià)，并且能夠保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

[1] 何欣,曹懷園,劉永智等.Phase2軟件在隧洞開(kāi)挖圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)中的應(yīng)用[J].西北水電,2015(03)：49-53.

[2] 朱霜華.隧洞中軟質(zhì)巖石收斂變形與量測(cè)分析[J].西北水電,2004(01)：6-8.

[3] 茍富民.烏龍山抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性分析研究[J].西北水電，2007(02)：13-18.

[4] Hoek, E., Carranza-Torres, C., Diederichs, M.S. and Corkum. integration of geotechnical and structural design in tunneling[C]//Proceedings University of Minnesota 56th Annual Geotechnical Engineering Conference.Minneapoils,29 February 2008.

[5] 蔡斌, 喻勇,吳曉銘.《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》與Q分類(lèi)法、RMR分類(lèi)法的關(guān)系及變形參數(shù)估算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2001,20(z1)：1677-1679.

[6] R. K. Goel,Bhawani Singh， Rock mass classification[M].ISBN: 978-0-08-043013-3, 1999.

[7] OTIS WILLIAMS， TUNNELS AND SHAFTS IN ROCK (EM 1110-2-2901)[S].Washington, DC 20314-1000, 1997.

Study on Design Methods for Support of Soft Rock Tunnel

QIU Min, LU Ning

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Due the mechanics parameters of soft rock are lower. The rock after excavation deforms obviously. The deformation depth in the plastic zone is greater. So, it is quite difficult to design the support measures. Otherwise waste or failure of the support measures is caused. Therefore, how to properly design the support measures shall be further studied necessarily. The quantitive support time is finalized by the geological classification system of rockmass. Through the stability calculation of the soft rock tunnel, the support proposal is produced. By application of this method, the support time and measures can be obtained quickly through the plane finite element calculation only. This method is practiced for support calculation of the headrace tunnel in Indonesia, demonstrating that the method is simple and feasible in the support design of the soft rock tunnel. Key words: soft rock; tunnel; support

1006—2610(2016)05—0032—03

2016-05-30

邱敏(1981- )，女，四川省成都市人,高級(jí)工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)工作.

TV672.1；TV554.12

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.008