軟弱圍巖隧洞一次支護安全性研究與實踐

(寧夏水務投資集團有限公司，寧夏 銀川 750002)

1 工程背景

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程輸水隧洞有12座，總長達37.076km，隧洞工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復雜，穿越的地層主要為白堊系、第三系軟弱巖石和第四系松散層。

隧洞圍巖主要工程地質(zhì)特性如下：

a.白堊系泥巖單軸飽和抗壓強度為0.6～13MPa，第三系泥巖和砂質(zhì)泥巖單軸飽和抗壓強度小于1MPa，屬極軟巖或軟巖，且易于軟化，水的作用對其力學強度影響明顯。

b. E2s1砂質(zhì)泥巖、礫巖遇水易崩解，耐久性低，比較而言K1n、K1m2泥巖耐久性稍好。兩者均具有失水干裂的不良特性。

c.在保持天然含水狀態(tài)或三維應力條件下，巖體具有較高的強度。

該工程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，本身強度低，在地下水的作用下強度將進一步顯著下降，而在隧洞開挖時出現(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，變形和塌方的范圍、規(guī)?？赡茌^大。擠壓變形難以穩(wěn)定，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加大，甚至出現(xiàn)冒頂，嚴重威脅施工安全和進度，并可能影響隧洞的長期穩(wěn)定性。

2 軟弱圍巖隧洞一次支護措施及安全性評價

輸水隧洞為無壓輸水隧洞,設(shè)計流量3.0m3/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 一次支護設(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形式，圍巖力學參數(shù)、地應力值及隧洞采用的支護方式見表1～表3，各圍巖洞段典型斷面的開挖及一次支護型式見圖1～圖3。

表1 隧洞圍巖力學參數(shù)

表2 鉆孔地應力測試成果

地應力量值總體上表現(xiàn)為隨深度有所增加，但變化梯度較??；與計算的垂向應力相比，三向主應力的關(guān)系基本表現(xiàn)為SH≥Sv>Sh。表明測區(qū)附近現(xiàn)今構(gòu)造應力作用強度不高。最大水平主應力方向為NNE—NE。

表3 隧洞一次支護參數(shù)

圖1 Ⅲ類圍巖洞段隧洞典型斷面(B2型)開挖支護圖(埋深約150m;單位：mm)

圖2 Ⅳ類圍巖洞段隧洞典型斷面(C3型)開挖支護圖(埋深約310m;單位：mm)

圖3 Ⅴ類圍巖洞段隧洞典型斷面(D2型)開挖支護圖(埋深約185m;單位：mm)

2.2 圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)安全評價標準

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。相關(guān)表述為：洞室現(xiàn)場監(jiān)控量測的周邊位移，應結(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)受力狀況等進行綜合評判。當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%時，或者實測位移收斂速率出現(xiàn)急劇增長時，則應立即停止開挖，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：%

注1. 洞周相對收斂量是指兩測點間實測位移值與兩測點間距離之比，或拱頂位移實測值與隧道寬度之比。

2. 脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值。

3. 表中數(shù)據(jù)適用于高跨比0.8～1.2、埋深小于500m，且其跨度分別不大于20m(Ⅲ級圍巖)、15m(Ⅳ級圍巖)和10m(Ⅴ級圍巖)的隧洞洞室工程。否則應根據(jù)工程類比，對隧洞、洞室周邊允許相對收斂值進行修正(見圖4)。

圖4 洞周典型位移監(jiān)測點位置

2.3 一次支護設(shè)計數(shù)值模擬

2.3.1 計算程序

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)置多種形式錨桿(如端錨、全黏結(jié)錨桿、水脹式錨桿等)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，有許多成功應用的案例。

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua )軟件是為地質(zhì)工程應用而開發(fā)的連續(xù)介質(zhì)顯式有限差分計算軟件三維版。該軟件主要適用于模擬計算巖土體材料的力學行為及巖土材料達到屈服極限后產(chǎn)生的塑性流動，對大變形情況應用效果更好。

該工程分別采用Phase2、FLAC3D進行隧洞支護結(jié)構(gòu)的復核計算分析。

2.3.2 計算模型

2.3.2.1 有限元模型坐標軸規(guī)定

取隧洞開挖完成后底部高程最低點為坐標零點；X軸為水平方向，與隧洞軸線方向垂直，向右為正；Y軸為豎直方向，向上為正，如圖5所示。

圖5 坐標軸規(guī)定示意圖

2.3.2.2 有限元模型計算范圍選取

在巖體中開挖隧洞時，地應力二次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，這里在隧洞左、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。模型邊界截取示意圖如圖6所示。

圖6 模型邊界截取示意圖

2.3.2.3 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類圍巖洞段一次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類圍巖洞段一次支護中鋼拱架排距為0.8m。

本文以Ⅳ類圍巖(隧洞埋深約310m)為例，其計算模型見圖7。

圖7 隧洞計算模型

2.4 一次支護設(shè)計數(shù)值模擬結(jié)論

通過數(shù)值模擬可以得出以下結(jié)論：

a.隧洞開挖后山體中的應力場會出現(xiàn)調(diào)整，使得隧洞圍巖應力出現(xiàn)明顯的變化，出現(xiàn)壓應力和剪應力集中。

b.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，側(cè)壁其次，拱頂最小。

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

d.隧洞開挖未支護下由于洞室圍巖大主應力增大和小主應力減小，圍巖在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑形破壞，計算的塑性區(qū)厚度和實測的松弛圈厚度也基本相等；隧洞支護后圍巖應力分布發(fā)生調(diào)整，大主應力減小，小主應力增大，剪應力減小，隨著地應力進一步釋放，塑性區(qū)范圍基本未進一步的發(fā)展，支護效果良好。

2.5 一次支護設(shè)計安全性評價

基于數(shù)值計算結(jié)果的收斂變形量，根據(jù)不同初始地應力、不同支護條件下隧洞開挖的圍巖收斂變形計算值，可以得出以下結(jié)論：

a.在隧洞推進施工過程中，及時開展收斂變形監(jiān)測非常必要。

b.支護措施施加得越早，對圍巖的變形抑制效果就越明顯。根據(jù)國標，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。

c.支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定分析計算結(jié)果表明：地應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。

d.在支護條件下，圍巖松弛圈厚度不大且無進一步發(fā)展的趨勢，松弛后的巖體仍具有較高強度，巖體變形穩(wěn)定較快，說明現(xiàn)有的支護方式能夠滿足規(guī)范要求。

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