西甘池隧洞圍巖參數(shù)反演與支護(hù)優(yōu)化

張順峰

摘要：取西甘池隧洞HD12+570-HD12+770段建立FLAc3D模型，模擬隧洞分段開挖及支護(hù)，將圍巖參數(shù)E、u、c、Ф進(jìn)行正交設(shè)計(jì)并代入模型，計(jì)算洞頂沉降量與兩壁水平收斂值，與所選斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出與實(shí)際變形最為接近的圍巖參數(shù)組合，在后續(xù)斷面變形監(jiān)測(cè)值中進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算誤差滿足精度要求，表明反演所得Ⅲ類圍巖參數(shù)廬0.77×10（4）MPa、u=0.29、c=13MPa、Ф=39°和Ⅳ類圍巖的力學(xué)參數(shù)E=0.26×104MPA、U=0.33、c=0.5MPa、Ф=35°是可靠的。在此基礎(chǔ)上，以錨桿排距為研究對(duì)象，對(duì)Ⅳ類圍巖錨噴支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，原錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案偏于保守，錨桿排距可適當(dāng)加大。

關(guān)鍵詞：隧洞;力學(xué)參數(shù);反演;支護(hù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U452.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：007-1903（2019）01-0090-07

0前言

長(zhǎng)期以來，隧道圍巖力學(xué)參數(shù)的確定一直是工程地質(zhì)學(xué)者研究的重要課題。通過室內(nèi)試驗(yàn)不能全面反映圍巖的變形特征，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由于耗時(shí)、耗資巨大，絕大多數(shù)工程還是達(dá)不到這個(gè)要求。而反分析方法的出現(xiàn)及對(duì)圍巖變形觀測(cè)技術(shù)的大力應(yīng)用與推廣，給我們帶來了一條新的研究途徑（蔡美峰，2003;何滿潮，2006）。大量研究及實(shí)例表明，利用隧洞施工中實(shí)際觀測(cè)的位移及應(yīng)力變化，來反演圍巖的實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)，能夠得到較為合理的巖土體參數(shù)，從而為隧洞施工、支護(hù)方案的優(yōu)化及有關(guān)預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)（徐建國(guó)，2008;賈超等，2003;孫鈞，2010）。本文以南水北調(diào)中線應(yīng)急供水工程（京石段）西甘池隧洞施工項(xiàng)目為例，用FLAC3D軟件對(duì)隧洞開挖進(jìn)行模擬，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)隧洞斷面頂拱沉降和水平收斂位移反演圍巖物理力學(xué)參數(shù)，得出與工程實(shí)際較為吻合的巖體參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)隧洞的錨桿支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)也為隧洞的二次襯砌及隧洞通水受到內(nèi)水壓力后的變形預(yù)測(cè)提供資料依據(jù)。

1計(jì)算模型的建立

1.1隧洞地質(zhì)概況

隧洞所在區(qū)屬低山丘陵區(qū)，地面形態(tài)呈低矮平緩的地形，最大高程96.45m，相對(duì)高差25m左右。隧洞軸線穿過兩個(gè)崗嶺，中間發(fā)育有近南北走向的溶蝕洼地，洼地寬約60m，沿洞線形成啞口地形，地面坡度4讀-16°，總體地勢(shì)西高東低。該區(qū)位于蕎麥山穹隆之東南翼，屬單斜巖層，傾角26°～29°，節(jié)理發(fā)育一般，斷層不發(fā)育。隧洞起止樁號(hào)12+300～14+100，全長(zhǎng)1800m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，區(qū)內(nèi)主要分布的地層為薊縣系霧迷山組第四段大理巖，其頂部多被第三系殘積層覆蓋，厚度較薄，可忽略不計(jì)。大理巖層中夾有滑石片巖透鏡體，其礦物成份以鱗片狀滑石為主，巖石軟弱，用鎬頭即可刨動(dòng)，在隧洞進(jìn)口一帶呈透鏡體狀分布，從隧洞進(jìn)口至中部的啞口段，滑石片巖的分布呈逐漸減少之趨勢(shì)。

按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB 50287-99對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行工程地質(zhì)分類，根據(jù)鉆孔及隧洞圍巖編錄結(jié)果，本文所選區(qū)段巖性以大理巖為主，巖石堅(jiān)硬較完整，層間夾有厚度不等的極軟弱的滑石片巖。局部會(huì)產(chǎn)生塑性變形，圍巖類別多為Ⅲ類和Ⅳ類（表1）。

1.2隧洞設(shè)計(jì)方案及模型建立

該隧洞長(zhǎng)1800m，采用馬蹄形型雙洞方案，洞徑6.0m，間距14m，二次襯砌后埋設(shè)直徑為4m的PCCP管道。本文選取HD12+570～770段建立FLAC3D計(jì)算模型。整個(gè)模型包括159800個(gè)單元，169240個(gè)節(jié)點(diǎn)，在隧洞橫斷面方向（x方向）兩端（x=-40，x=40）施加x方向約束，隧洞軸向方向（Y方向）施加兩端（Y=0，Y=200）施加Y方向約束，隧洞底面（z=41）XYZ三方向均施加約束。由于隧洞埋深較淺，巖體中初始地應(yīng)力場(chǎng)主要為自重應(yīng)力場(chǎng)。

2參數(shù)設(shè)置

2.1錨噴支護(hù)參數(shù)

對(duì)于Ⅲ類圍巖，初襯支護(hù)方案為錨噴支護(hù)，噴砼厚度100mm，錨桿上部270°范圍12Ф20，L=2.0m，間距1.135m，排距1.0m;對(duì)于Ⅳ類圍巖，噴砼厚度150mm，鋼筋網(wǎng)Ф8（150×150ram），錨桿上部270°范圍15Ф20，L=2.5m，間距1.027m，排距1.0m，（圖1）。錨桿及混凝土相關(guān)參數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值（表2）。

2.2圍巖參數(shù)正交設(shè)計(jì)

圍巖參數(shù)的選取過程即為參數(shù)反演的過程，通過不斷調(diào)整參數(shù)值，使模擬計(jì)算的頂拱沉降位移值逼近所選取斷面實(shí)測(cè)的頂拱沉降值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)給出的圍巖物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB50086—2001中建議的各類圍巖力學(xué)參數(shù)值，首先確定Ⅲ、Ⅳ類圍巖各個(gè)參數(shù)的取值范圍（表3）。

正交設(shè)計(jì)就是利用正交表來合理安排試驗(yàn)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理科學(xué)地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，處理多因素實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法。通過代表性很強(qiáng)的少數(shù)次實(shí)驗(yàn)，摸清各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響情況，找出最優(yōu)化參數(shù)組合（方開泰，2001;李云鵬等，2007）?，F(xiàn)對(duì)Ⅲ類和Ⅳ類圍巖參數(shù)分別進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，按照參數(shù)個(gè)數(shù)及取值范圍，采用4因素6水平，模型試驗(yàn)次數(shù)為36種（表4、表5）。

3隧洞模擬開挖與調(diào)參

3.1模型內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

在模擬隧洞開挖前，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)典型監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)來選取模型內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本模型中選取8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中右洞HD12+622和左洞HD12+582兩斷面的監(jiān)測(cè)成果用于圍巖力學(xué)參數(shù)的反演，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于對(duì)該參數(shù)可靠性的分析。根據(jù)觀測(cè)資料可知，兩斷面洞頂累計(jì)沉降量分別為3.96mm和3.88mm，兩壁水平收斂位移均在0.7-1.1mm之間，水平收斂很小。所以反演主要以洞頂沉降量為準(zhǔn)。

3.2模擬開挖及調(diào)參結(jié)果分析

開挖過程共分為7個(gè)階段：

第一階段：右洞進(jìn)尺到HD12+602;

第二階段：右洞進(jìn)尺到HD12+630，左洞進(jìn)尺到HD12+602;

第三階段：右洞進(jìn)尺到HDl2+670，左洞進(jìn)尺到HD12+630;

第四階段：右洞進(jìn)尺到HD12+710，左洞進(jìn)尺到HD12+670;

第五階段：右洞進(jìn)尺到HD12+750，左洞進(jìn)尺到HD12+710;

第六階段：右洞進(jìn)尺到HD12+770，左洞進(jìn)尺到HD12+750;

第七階段：左洞進(jìn)尺到HD12+770。

前三階段用于參數(shù)的反演，將Ⅲ類、Ⅳ類圍巖正交參數(shù)逐一代入到模型，計(jì)算所得兩斷面頂拱沉降量。

（1）Ⅲ類圍巖調(diào)參計(jì)算結(jié)果分析

斷面HDl2+622Ⅲ類圍巖正交參數(shù)組合中11組在開挖到第三階段計(jì)算頂拱沉降量為3.924mm，該斷面實(shí)測(cè)值為3.96mm，誤差0.92%。隧洞開挖后，由于應(yīng)力的突然釋放，頂拱瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沉降量，之后逐漸趨于平緩。從x方向云圖可看出，兩側(cè)邊墻、拱腰及底板兩側(cè)下緣水平位移最大，約0.5ram左右，兩壁水平收斂約1mm，變形較小，與實(shí)測(cè)值較符合（圖2、表6）。

（2）Ⅳ類圍巖調(diào)參計(jì)算結(jié)果分析

斷面HDl2+582Ⅳ類圍巖正交參數(shù)組合中24組在開挖到第三階段計(jì)算頂拱沉降量為3.867mm，該斷面實(shí)測(cè)值為3.90mm，誤差0.85%（圖3、表7）。

隧洞開挖后，應(yīng)力突然釋放，頂拱瞬時(shí)亦會(huì)產(chǎn)生較大的沉降量，從x方向云圖可看出，兩側(cè)邊墻、拱腰及底板兩側(cè)下緣水平位移最大，約0.55mm左右，其中右壁位移較左壁稍大，兩壁水平收斂約1.08mm，變形較小，與實(shí)測(cè)值符合。根據(jù)以上分析，初步確定Ⅲ類圍巖的力學(xué)參數(shù)分別為：E-0.77×104MPa、u=29、Φ=39°、C=13MPa;Ⅳ類圍巖的力學(xué)參數(shù)分別為：E=0.26×104MPa、u=33、Φ=35°、C=0.5MPa。

3.3參數(shù)驗(yàn)證

將反演所得Ⅲ類和Ⅳ類圍巖參數(shù)代入到模型，計(jì)算隧道圍巖的頂拱沉降和水平收斂，按照施工步驟對(duì)隧洞進(jìn)行開挖，當(dāng)開挖到第七階段后，通過對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂拱沉降曲線與x方向位移云圖分析，將計(jì)算位移值與實(shí)測(cè)位移值相對(duì)比（表8）。

洞室開挖后，頂拱會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沉降，隨著時(shí)步的推移，沉降速率減小，直到趨于平緩。洞室的下一步開挖會(huì)在一定程度上對(duì)已開挖洞室圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，使上一步沉降趨于穩(wěn)定的拱頂產(chǎn)生小的沉降速率增加，但隨著掌子面的推移影響逐漸減小。x方向水平位移較大值主要發(fā)生在邊墻、拱肩及底板下緣，左洞右側(cè)拱腰處位移值最大，約0.63mm。

根據(jù)表8，模型內(nèi)選取斷面的模擬頂拱沉降值及水平收斂值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差多在5%以內(nèi)，其中Ⅲ類圍巖模擬位移值與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小，而Ⅳ類圍巖模擬值與實(shí)測(cè)值誤差較大。這主要是因?yàn)棰纛悋鷰r為薄一中厚層大理巖夾滑石片巖透鏡體，滑石片巖強(qiáng)度低，風(fēng)化程度高，它在洞室中的分布位置對(duì)圍巖變形有較大影響。

經(jīng)以上分析，模擬所得圍巖變形與工程實(shí)際測(cè)量結(jié)果是較符合的，作為該區(qū)段圍巖力學(xué)參數(shù)是可靠的。

4錨桿支護(hù)優(yōu)化

根據(jù)模擬計(jì)算位移值及實(shí)測(cè)位移值，洞室Ⅲ類和Ⅳ類拱頂最大沉降量均在5mm以內(nèi)，而按照設(shè)計(jì)拱頂最大沉降量不大于10mm的要求，洞室的支護(hù)設(shè)計(jì)在理論上還有優(yōu)化的空間，使巖體最大限度地發(fā)揮自身的自穩(wěn)能力。錨桿的優(yōu)化可從錨桿的支護(hù)形式、錨桿長(zhǎng)度、錨固方位角、錨桿直徑以及錨桿的間排距這五方面來考慮（趙其華，2008;王巍，2006），本文以錨桿排距作為優(yōu)化對(duì)象。按照隧洞設(shè)計(jì)要求，對(duì)于Ⅳ類圍巖，噴砼厚度150mm，鋼筋網(wǎng)Φ8（150×150mm），錨桿上部270。范圍15Φ20，L=2.5m，間距1.027m，排距1.0m。以HDl2+650斷面為例，在原支護(hù)方案下，該斷面頂拱z方向最大位移值發(fā)生在右洞頂拱中心左側(cè)及左洞頂拱中心右側(cè)，約4.45mm;x方向最大位移值也發(fā)生在拱腰部位以及兩側(cè)墻壁、隧洞底角，約0.52mm;洞室最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為1.9MPa，底板基本上表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大為0.1MPa。優(yōu)化方案分別選用錨桿排間距為1.2m和1.5m進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

（1）錨桿排距為1.2m

在錨桿排距為1.2m的條件下，HDl2+650斷面z和x方向位移，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力見圖4、圖5。

從圖4、圖5可看出，當(dāng)錨桿間距為1.2m時(shí)，拱頂沉降及側(cè)壁x方向位移均有所增大，其中拱頂最大沉降量約5.26mm，較原支護(hù)條件下增加了0.81mm。x方向最大位移值出現(xiàn)在左洞右側(cè)拱腰，約0.7mm，較原支護(hù)條件下增加了0.18mm。洞室周邊最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力基本表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其中最大壓應(yīng)力為2.7MPa，兩側(cè)壁應(yīng)力集中程度最高。拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在底板上，最大值為0.17 MPa。洞室基本穩(wěn)定。

（2）錨桿排距為1.5m

在錨桿排距為1.5m的條件下，HDl2+650斷面z和x方向位移，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力見圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可看出，當(dāng)錨桿間距為1.5m時(shí)，洞室拱頂最大沉降量增大到6.30mm，x方向位移主要發(fā)生在拱肩、拱腰及底板兩側(cè)，最大值為1.19mm。洞室周邊最大主應(yīng)力在拱頂及拱腰處出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.15MPa。最小主應(yīng)力在兩側(cè)壁表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值約1.79MPa，拱頂處最小主應(yīng)力基本為零或變現(xiàn)出很小的壓應(yīng)力。根據(jù)洞室圍巖穩(wěn)定性判定方法，拱頂及拱腰處圍巖處拉應(yīng)力大于圍巖極限抗壓強(qiáng)度與安全系數(shù)的比值，洞室穩(wěn)定性較差。

經(jīng)過以上兩個(gè)對(duì)錨桿優(yōu)化方案的比較，當(dāng)錨桿間距為1.2m時(shí)，基本滿足洞室穩(wěn)定性的要求，在理論上時(shí)可行的。當(dāng)錨桿間距為1.5m時(shí)，洞室頂拱及拱腰出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于隧洞圍巖為薄層大理巖夾滑石片巖透鏡體，巖體抗拉強(qiáng)度較小，故最佳的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)使隧洞拱肩以上不出現(xiàn)拉應(yīng)力。所以當(dāng)錨桿間距為1.5m時(shí)不滿足洞室穩(wěn)定性的要求。

以上對(duì)錨桿優(yōu)化方案的探討，說明隧洞錨桿支護(hù)在理論上有一定的優(yōu)化空間?？蔀楣こ坦?jié)約大量人力、物力和財(cái)力。

5結(jié)論

（2）通過對(duì)Ⅳ類圍巖的錨噴支護(hù)優(yōu)化分析，當(dāng)錨桿排距為1.2m時(shí)，拱頂沉降與側(cè)壁水平收斂可滿足洞室穩(wěn)定要求。可為工程節(jié)約大量成本。