地應(yīng)力對(duì)主動(dòng)承載層承載系數(shù)選擇的影響

□汪宏兵 梅樹強(qiáng) 王 堅(jiān)

（浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司）

1 引 言

地應(yīng)力不僅是復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的原因，同時(shí)也對(duì)隧洞、巷道等施工過程中圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響，尤其是軟巖、深埋等地質(zhì)條件下，由于圍巖力學(xué)性質(zhì)弱以及地應(yīng)力高，往往會(huì)導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生較大的變形破壞，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，因此許多學(xué)者圍繞地應(yīng)力進(jìn)行了大量研究。郭小龍，譚忠盛，李磊，等對(duì)比分析高應(yīng)力軟巖條件下，早強(qiáng)錨桿與普通錨桿作用特征分析，得出早強(qiáng)錨桿較普通錨桿有更強(qiáng)的錨桿軸力，提高了圍巖分布均勻程度，進(jìn)一步抑制了層狀巖層破壞，對(duì)高應(yīng)力軟巖起到了很好的控制效果。李微對(duì)地應(yīng)力成因、規(guī)律以及不同的地應(yīng)力下隧道斷面變形差異進(jìn)行分析，指出深部隧道的支護(hù)應(yīng)著重于阻止圍巖流變?cè)斐伤淼罃嗝娌粩嗫s小；劉立民，張進(jìn)鵬分析了普通U型鋼可縮性支架與所設(shè)計(jì)封閉型U型鋼可縮性支架特點(diǎn)及其在不同地應(yīng)力條件下位移等變化，得出封閉型U 型鋼可縮性支架較普通U 型鋼可縮性支架支撐效果較優(yōu)；針對(duì)高應(yīng)力圍巖大變形問題，黃寶田，陳東印提出高強(qiáng)讓壓錨桿支護(hù)方案，結(jié)果表明支護(hù)效果佳且節(jié)省了成本；李為騰，李術(shù)才，玄超，等通過對(duì)高應(yīng)力軟巖變形破壞特征以及支護(hù)失效機(jī)理的研究，提出方形鋼管約束混凝土拱架支護(hù)，起到較好的圍巖控制效果；壽寶平，任禹分析不同支護(hù)強(qiáng)度下深部高應(yīng)力巷道圍巖應(yīng)力、位移分布特征，得出高地應(yīng)力巷道圍巖變形屬于給定變形，支護(hù)體應(yīng)要滿足做夠支護(hù)強(qiáng)度以及適應(yīng)大變形的要求；秦忠誠，秦瓊杰，陳文龍，等通過對(duì)讓壓技術(shù)機(jī)理分析，在工程中進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，得出讓壓支護(hù)技術(shù)大大減少了錨桿在高應(yīng)力條件下的拉斷失效，有效地控制了巷道圍巖變形。

為研究甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標(biāo)段1#片麻巖隧洞不同地應(yīng)力條件下，錨桿支護(hù)構(gòu)建主動(dòng)承載層承載系數(shù)的適配，文章采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，以側(cè)壓系數(shù)模擬地應(yīng)力，分析不同側(cè)壓系數(shù)所適配的主動(dòng)承載層承載系數(shù)。

2 主動(dòng)承載層及其承載系數(shù)概述

甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標(biāo)段1#隧洞在施工片麻巖地段時(shí)，如圖1 隧洞開挖后圍巖分層所示，由于片麻巖自身具有的裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力弱，完整性差的特征，又經(jīng)過經(jīng)過地應(yīng)力及地下水的相互作用下，隧洞圍巖表面會(huì)形成一層破碎區(qū)，區(qū)域內(nèi)承載能力差，裂隙發(fā)育程度高，松散破碎，無法形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)；隨著裂隙向深部轉(zhuǎn)移，其發(fā)育程度逐漸降低，圍巖整體性相對(duì)較好，巖層結(jié)構(gòu)破壞不多，有一定的承載能力；深部原巖區(qū)受掘進(jìn)影響不大，圍巖結(jié)構(gòu)與原巖幾乎一致，承載能力高，完整性好。

采用錨桿支護(hù)則可以有利于破碎區(qū)形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，從而維持圍巖的穩(wěn)定。如圖2支護(hù)后圍巖分層所示，錨桿支護(hù)通過錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，提高了承載結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)與性能，減小隧洞周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和隧洞的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑形區(qū)的發(fā)展、從而有利于保持隧洞圍巖的穩(wěn)定，當(dāng)其預(yù)緊力達(dá)到一定程度時(shí)，能在圍巖中形成主動(dòng)承載層，約束深部巖體的位移和破裂，提高錨固巖層的殘余承載能力，有效地控制圍巖的變形。為了更為精確劃分主動(dòng)承載層的承載能力，引用承載系數(shù)即主動(dòng)承載層內(nèi)應(yīng)力與原巖應(yīng)力的百分比來量化主動(dòng)承載層的承載能力，其中高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的承載系數(shù)范圍為≥25%，中等承載系數(shù)主動(dòng)承載層的承載系數(shù)范圍為18%～25%，低承載系數(shù)主動(dòng)承載層的承載系數(shù)范圍為≤18%?？紤]到地應(yīng)力對(duì)于圍巖承載結(jié)構(gòu)的重要影響，基于以上概述分析不同地應(yīng)力條件下，片麻巖構(gòu)建主動(dòng)承載所適配的承載系數(shù)。

圖1 隧洞開挖后圍巖分層圖

圖2 支護(hù)后圍巖分層圖

3 不同地應(yīng)力條件下主動(dòng)承載層承載系數(shù)選擇

為了研究不同等級(jí)主動(dòng)承載層對(duì)各種地應(yīng)力條件的適應(yīng)性，以數(shù)值模擬軟件構(gòu)FLAC3D建數(shù)值計(jì)算模型，模型總厚度20 m。模型兩側(cè)邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加均布載荷，模型中設(shè)定隧洞埋深為100 m，通過改變側(cè)壓系數(shù)來模擬不同的地應(yīng)力條件，側(cè)壓系數(shù)分別取1.0、1.5、2.0。片麻巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 片麻巖力學(xué)參數(shù)表

3.1 側(cè)壓系數(shù)1.0應(yīng)力條件

側(cè)壓系數(shù)1.0應(yīng)力條件下，模擬不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層厚度與應(yīng)力變化，得到圖3側(cè)壓系數(shù)1.50地應(yīng)力時(shí)不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層應(yīng)力云圖，由圖可知：在側(cè)壓系數(shù)為1.00的低地應(yīng)力條件下，三種承載系數(shù)的主動(dòng)承載層都能夠產(chǎn)生在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)有效的壓應(yīng)力區(qū)域維護(hù)隧洞圍巖的穩(wěn)定性。高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度為2.20 m，最大壓應(yīng)力為3.30 MPa；中等承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度為2.00 m，最大壓應(yīng)力為2.60 MPa；低承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度為2.00 m，最大壓應(yīng)力為2.40 MPa。在這種低地應(yīng)力條件下，高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度和壓應(yīng)力等級(jí)最高，隨著主動(dòng)承載層承載系數(shù)的降低主動(dòng)承載層的厚度和壓應(yīng)力等級(jí)有一定下降，但下降的程度不大，因此這三個(gè)承載系數(shù)的主動(dòng)承載層均可運(yùn)用于側(cè)壓系數(shù)為1.0低地應(yīng)力條件。綜合考慮到施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)效益等問題，建議在側(cè)壓系數(shù)為1.0低地應(yīng)力條件下使用低承載系數(shù)主動(dòng)承載層用于維護(hù)片麻巖隧洞的圍巖穩(wěn)定。

圖3 側(cè)壓系數(shù)1.0應(yīng)力時(shí)不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層應(yīng)力云圖

3.2 側(cè)壓系數(shù)1.5應(yīng)力條件

側(cè)壓系數(shù)1.5應(yīng)力條件下，模擬不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層厚度與應(yīng)力變化，得到圖4 側(cè)壓系數(shù)1.5 應(yīng)力時(shí)不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層應(yīng)力云圖，由圖可知：在側(cè)壓系數(shù)為1.5中地應(yīng)力條件下，高承載系數(shù)和中等承載系數(shù)的主動(dòng)承載層能夠產(chǎn)生在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)有效的壓應(yīng)力區(qū)域維護(hù)隧洞圍巖的穩(wěn)定性。高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度為2.00 m，最大壓應(yīng)力為3.00 MPa；中等承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度為1.80 m，最大壓應(yīng)力為2.40 MPa。在這種中地應(yīng)力條件下，高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度和壓應(yīng)力等級(jí)最高，隨著主動(dòng)承載層等級(jí)的降低主動(dòng)承載層的厚度和壓應(yīng)力等級(jí)有一定下降，下降至低承載系數(shù)時(shí)無法形成主動(dòng)承載層，因此這三個(gè)承載系數(shù)的主動(dòng)承載層只有高承載系數(shù)和中等承載系數(shù)的主動(dòng)承載層可運(yùn)用于側(cè)壓系數(shù)為1.5的中地應(yīng)力條件。綜合考慮到施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)效益等問題，建議在側(cè)壓系數(shù)為1.5的中地應(yīng)力條件下使用中等承載系數(shù)主動(dòng)承載層用于維護(hù)片麻巖隧洞的圍巖穩(wěn)定。

圖4 側(cè)壓系數(shù)1.5地應(yīng)力時(shí)不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層應(yīng)力云圖

3.3 側(cè)壓系數(shù)2.0地應(yīng)力條件

側(cè)壓系數(shù)2.0地應(yīng)力條件下，模擬不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層厚度與應(yīng)力變化，得到圖5 側(cè)壓系數(shù)2.0 地應(yīng)力時(shí)不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層應(yīng)力云圖，由圖可知：在側(cè)壓系數(shù)為2.0的高地應(yīng)力條件下，高承載系數(shù)的主動(dòng)承載層能夠產(chǎn)生在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)有效的壓應(yīng)力區(qū)域維護(hù)隧洞圍巖的穩(wěn)定性。高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度為2.00 m，最大壓應(yīng)力為2.80 MPa。在這種中地應(yīng)力條件下，高承載系數(shù)主動(dòng)承載層的厚度和壓應(yīng)力等級(jí)最高，隨著主動(dòng)承載層等級(jí)的降低主動(dòng)承載層的厚度和壓應(yīng)力等級(jí)有一定下降，下降至中等承載系數(shù)時(shí)無法形成主動(dòng)承載層，而且在中等承載系數(shù)和低等承載系數(shù)支護(hù)方法中，錨桿間出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，難以保證隧洞圍巖的穩(wěn)定。因此這三個(gè)承載系數(shù)的主動(dòng)承載層只有高承載系數(shù)主動(dòng)承載層可運(yùn)用于側(cè)壓系數(shù)為2.0的高地應(yīng)力條件。綜上，建議在側(cè)壓系數(shù)為2.0的高地應(yīng)力條件下使用高承載系數(shù)主動(dòng)承載層用于維護(hù)片麻巖隧洞的圍巖穩(wěn)定。

圖5 側(cè)壓系數(shù)2.0地應(yīng)力時(shí)不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層應(yīng)力云圖

3.4 側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力與主動(dòng)承載層厚度、最大壓應(yīng)力關(guān)系分析

通過模擬不同承載系數(shù)下主動(dòng)承載層厚度、最大壓應(yīng)力隨側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力的變化規(guī)律，得到圖6側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力與主動(dòng)承載層厚度、最大壓應(yīng)力關(guān)系曲線，由圖6（a）可知，高承載系數(shù)下，主動(dòng)承載層厚度隨側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力的增大先非線性緩慢減小，之后逐漸趨于穩(wěn)定值；中等承載系數(shù)下，主動(dòng)承載層厚度隨著側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力增加先線性緩慢減小，之后隨著側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力增加迅速減小為0；低承載系數(shù)下，主動(dòng)承載層厚度隨著側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力增加線性迅速減小為0；一定側(cè)壓系數(shù)范圍內(nèi)，主動(dòng)承載層厚度隨承載系數(shù)減小而減小。

圖6 側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力與主動(dòng)承載層厚度、最大壓應(yīng)力關(guān)系曲線圖

由圖6（b）可知，主動(dòng)承載層最大壓應(yīng)力隨著側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力的增加逐漸減小，減小的幅度隨著側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力的降低而增加，其中低承載系數(shù)下減小幅度較大；同一側(cè)壓系數(shù)下，主動(dòng)承載層最大壓應(yīng)力隨著承載系數(shù)的減小而減小。

綜合以上變化分析，高承載系數(shù)下，主動(dòng)承載層對(duì)于側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力的變化具有較好的適應(yīng)性，具有主動(dòng)承載層厚度以及最大壓應(yīng)力較大的特征；而中等和低承載系數(shù)下，只能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力；主動(dòng)承載層最大壓應(yīng)力隨著地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力增加逐漸減，隨著承載系數(shù)的降低而減小。

4 結(jié)論

不同的地應(yīng)力應(yīng)使用不同的主動(dòng)承載層承載系數(shù)，在側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力分別為1.0、1.5和2.0條件下對(duì)應(yīng)使用低、中等和高承載系數(shù)主動(dòng)承載層。

在側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力為1.0、1.5和2.0條件下，高承載系數(shù)所形成主動(dòng)承載層厚度和最大壓應(yīng)力最大，最大值為2.20 m 和3.30 MPa。

主動(dòng)承載層對(duì)側(cè)壓系數(shù)地應(yīng)力的適應(yīng)性隨承載系數(shù)強(qiáng)度的降低逐漸降低；主動(dòng)承載層厚度和最大壓應(yīng)力隨著承載系數(shù)減小而減小。