軟弱圍巖隧洞初期支護設(shè)計

顧耀民 陳艷會 楊 凡

(1.寧夏水務(wù)投資集團有限公司,寧夏 銀川 750002； 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

軟弱圍巖隧洞初期支護設(shè)計

顧耀民1陳艷會2楊 凡2

(1.寧夏水務(wù)投資集團有限公司,寧夏 銀川 750002； 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

水工輸水隧洞，初期支護是加固圍巖、確保洞室安全的重要措施，對于小斷面隧洞來說，考慮施工便利，一般需在隧洞開挖貫通后進(jìn)行二期襯砌，對于軟弱圍巖，確保開挖過程中隧洞的安全尤為重要。本文結(jié)合寧夏固原地區(qū)(寧夏中南部)城鄉(xiāng)飲水安全水源工程7號大灣輸水隧洞，對小斷面軟巖隧洞的初期支護設(shè)計進(jìn)行了探討?，F(xiàn)場施工監(jiān)測表明：現(xiàn)有的支護方式能夠滿足規(guī)范要求，可供類似工程參考。

輸水隧洞；軟弱圍巖；初期支護

1 工程概述

寧夏固原地區(qū)(寧夏中南部)城鄉(xiāng)飲水安全水源工程共有輸水隧洞12座，總長達(dá)37.75km。隧洞工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜，其中7號(大灣)隧洞為無壓輸水隧洞，洞長10.60km，平均埋深165m，最大埋深310m，最大外水水頭245m，是工程單洞最長、埋深最大的洞段。洞線穿越多個走向近南北的深溝，多數(shù)溝內(nèi)常年有水。隧洞區(qū)地下水以第四系松散層孔隙潛水和白堊系基巖裂隙水為主，局部地帶表現(xiàn)出裂隙潛水的特征，接受溝谷河水及上層潛水補給。7號隧洞主要圍巖為灰色泥頁巖(K1n1)、泥巖與泥灰?guī)r互層(K1n2)和泥巖夾薄層泥灰?guī)r(K1n3)。隧洞穿越的巖體親水性強，具有重塑性、脹縮性、崩解性、流變性和大變形等特點， 尤其是第三系泥巖等軟弱巖體，斷層帶、擠壓破碎帶和節(jié)理密集帶等破碎巖體，單軸飽和抗壓強度小于1MPa，屬極軟巖或軟巖，且易于軟化，水的作用對其力學(xué)強度影響明顯。在隧洞開挖時出現(xiàn)明顯的擠壓變形或塌方，屬于不受結(jié)構(gòu)面控制的整體破壞形式，施工過程中容易引起隧洞的失穩(wěn)和破壞，不及時處理塌落高度會逐漸發(fā)展，甚至出現(xiàn)冒頂，嚴(yán)重威脅施工安全和進(jìn)度，并可能影響隧洞的長期穩(wěn)定性。

7號隧洞采用馬蹄形斷面，斷面尺寸主要由施工要求控制，由于隧洞為小斷面施工，需要隧洞開挖貫通后才能進(jìn)行二期襯砌，為了確保隧洞安全，進(jìn)行合理的初期支護設(shè)計及評價，對加快施工進(jìn)度、保證工程安全具有重要意義。

2 軟弱圍巖隧洞一期支護設(shè)計

7號輸水隧洞為無壓輸水隧洞,設(shè)計流量3m3/s，設(shè)計比降i=1/2750。隧洞采用馬蹄形斷面，斷面尺寸主要由施工要求控制，頂拱半徑1.15m，圓心角180°；最大凈高2.45m，最大凈寬2.30m；設(shè)計水深1.48m。

2.1 輸水隧洞工程地質(zhì)參數(shù)

輸水隧洞工程圍巖力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力值見表1、表2。

表1 隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 鉆孔地應(yīng)力測試成果

注 地應(yīng)力量值總體上表現(xiàn)為隨深度有所增加，但變化梯度較小；與計算的垂向應(yīng)力相比，三向主應(yīng)力的關(guān)系基本表現(xiàn)為SH≧Sv>Sh(SH為水平最大主應(yīng)力；Sv為垂直向主應(yīng)力；Sh為水平最小主應(yīng)力)，最大水平主應(yīng)力方向為NNE—NE。

2.2 初期支護設(shè)計

輸水隧洞采用新奧法的原則設(shè)計及施工，支護型式及設(shè)計參數(shù)依據(jù)工程地質(zhì)勘察成果，并結(jié)合已建地下工程，運用工程類比法確定，主要采用錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、鋼拱架以及局部管棚的組合型式(見表3)。

各圍巖洞段典型斷面的開挖及一期支護型式見圖1～圖3。

表3 隧洞一期支護參數(shù)

圖1 Ⅲ類圍巖洞段隧洞典型斷面(B型)開挖支護(埋深約150m)

圖2 Ⅳ類圍巖洞段隧洞典型斷面(C型)開挖支護(埋深約310m)

圖3 Ⅴ類圍巖洞段隧洞典型斷面(D2型)開挖支護(埋深約185m)

3 軟弱圍巖隧洞初期支護安全性評價

3.1 圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)安全評價標(biāo)準(zhǔn)

參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)對隧洞、洞室周邊允許相對收斂值的規(guī)定(見表4)，洞室現(xiàn)場監(jiān)控量測的周邊位移，應(yīng)結(jié)合圍巖地質(zhì)條件、洞室規(guī)模和埋深、位移增長速率、支護結(jié)構(gòu)受力狀況等進(jìn)行綜合評判。如位移增長速率無明顯下降，而此時實測的相對收斂值已經(jīng)接近表4中規(guī)定的數(shù)值，同時噴射混凝土表面已出現(xiàn)明顯裂縫，部分錨桿實測拉力值變化已超過拉力設(shè)計值的10%；或者實測位移收斂速率出現(xiàn)急劇增長，則應(yīng)立即停止開挖，采取補強措施，并調(diào)整支護參數(shù)和施工程序。

表4 隧洞、洞室周邊允許相對收斂值 單位：%

3.2 一期支護設(shè)計數(shù)值模擬

3.2.1 計算程序

設(shè)計采用Phase2進(jìn)行隧洞支護結(jié)構(gòu)的復(fù)核計算分析。Phase2是加拿大Rocscience公司基于二維有限元原理開發(fā)的一款功能強大的巖土工程分析程序，其內(nèi)置多種型式錨桿(如端錨、全黏結(jié)錨桿、水漲式錨桿等)和支護結(jié)構(gòu)單元(如梁單元、噴混單元、鋼筋網(wǎng)單元、鋼拱架單元、鋼格柵拱架單元等)，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各類工程分析中，特別是地下開挖支護工程，有許多成功應(yīng)用的案例。

3.2.2 計算模型

a.有限元模型坐標(biāo)軸規(guī)定。取隧洞開挖完成后底部高程最低點為坐標(biāo)零點；X軸為水平方向，與隧洞軸線方向垂直，指向右為正；Y軸為豎直方向，向上為正(見圖4)。

圖4 坐標(biāo)軸規(guī)定示意圖

b.有限元模型計算范圍選取。在巖體中開挖隧洞時，地應(yīng)力二期分布的影響范圍有限，一般在距洞室中心點3～5倍開挖寬度的范圍內(nèi)影響較大。因此，在隧洞左、右方沿洞開挖邊界往外延伸4倍開挖寬度，上、下方沿洞開挖邊界往外延伸4倍開挖高度作為模型截取邊界(見圖5)。

圖5 模型邊界截取示意圖

c.二維有限元計算模型網(wǎng)格。采用網(wǎng)格映射劃分技術(shù)建立隧洞Ⅲ類、Ⅳ類及Ⅴ類圍巖洞段典型斷面的二維有限元計算網(wǎng)格圖，計算中考慮了隧洞的開挖和支護的施工過程，擬定不同的施工步，其中，Ⅲ類圍巖洞段一期支護中錨桿為隨機的，偏安全考慮，計算中不考慮錨桿作用；Ⅴ類圍巖洞段一期支護中鋼拱架排距為0.80m。

本文以Ⅳ1類圍巖(隧洞埋深約310m)為例，其計算模型見圖6。

3.3 一期支護設(shè)計數(shù)值評價

圍巖變位計算結(jié)果表明：隧洞開挖后圍巖巖體整體向洞內(nèi)臨空面變形。位移計算結(jié)果表明：洞室底部位移量最大，其次為側(cè)壁，拱頂最小。一次支護完成至二襯實施前，地應(yīng)力釋放完全，水平位移最大值為13.60mm，發(fā)生在兩側(cè)拱靠近拱腰位置；豎直位移最大值為15.40mm，發(fā)生在底拱中心位置；頂拱位移最大值為12.70mm，發(fā)生在頂拱中心位置；各位移值為絕對值，均指向臨空面方向。隧洞任意兩點相對變位均小于允許相對變位，隧洞圍巖變位滿足規(guī)范要求。

圖6 隧洞計算模型

隧洞開挖支護前、后位移對比表明：支護后洞室位移增量大幅度減小，支護效果明顯。

圍巖應(yīng)力計算結(jié)果表明：隧洞開挖后，地應(yīng)力釋放75%，臨空面周圍約2m深度范圍內(nèi)圍巖發(fā)生屈服；一次支護結(jié)構(gòu)完成至二襯實施前，地應(yīng)力繼續(xù)釋放至100%，圍巖塑性區(qū)范圍基本沒有變化；在一次支護結(jié)構(gòu)作用下，地應(yīng)力的進(jìn)一步釋放并未加大塑性區(qū)的擴展范圍；屈服區(qū)及其附近范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力因圍巖屈服發(fā)生了較大的調(diào)整，第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力總體上呈現(xiàn)由圍巖內(nèi)部向隧洞臨空面逐漸減小的趨勢；圍巖總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定分析計算結(jié)果表明：地應(yīng)力完全釋放時錨桿軸力不超過錨桿抗拉強度，錨桿結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定要求；噴混結(jié)構(gòu)單元抗剪及抗彎矩安全系數(shù)均大于1，且基本大于1.4，噴混結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定要求。

4 結(jié) 語

在隧洞施工過程中，及時開展收斂變形監(jiān)測非常必要。支護措施施加得越早，對圍巖的變形抑制效果越明顯。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，考慮隧洞圍巖發(fā)生塑性屈服，洞周允許相對收斂值取大值，計算結(jié)果表明不同支護條件下的收斂變形均滿足規(guī)定。在支護條件下，圍巖松弛圈厚度不大且無進(jìn)一步發(fā)展趨勢，松弛后巖體仍具有較高強度，巖體變形穩(wěn)定較快，說明現(xiàn)有支護方式能夠滿足規(guī)范要求。

Design of Early Support of Weak Surrounding Rock Tunnel

GU Yaomin1, CHEN Yanhui2, YANG Fan2

(1.NingxiaWaterInvestmentGroupCo.,Ltd.,Yinchuan750002,China; 2.BeiFangInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd.Tianjin300222,China)

In the hydraulic water conveyance tunnel, early support is an important measure for reinforcing the surrounding rock and ensuring the security of the cavern. Lining of the second stage should be implemented after the tunnel is excavated and holed through generally for construction convenience aiming at tunnels with small cross section. Guarantee of tunnel safety in the excavation process is particularly important aiming at weak surrounding rock. In the paper, No.7 Dawan hydraulic tunnel in urban and rural drinking water safety water source project of Ningxia Guyuan region (Mid-south of Ningxia) is combined for discussing early support design of weak rock tunnel with small cross section. Site construction monitoring indicates that existing support mode can meet specification requirements, and provide reference for similar projects.

hydraulic tunnel; weak surrounding rock; early support

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.07.011

TV554+3

A

1673-8241(2017)07- 0035- 05