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    深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系安全控制研究

    2021-07-20 17:31:41楊啟貴李建賀
    人民長(zhǎng)江 2021年5期
    關(guān)鍵詞:軟巖安全控制隧洞

    楊啟貴 李建賀

    摘要:深埋軟巖隧洞變形程度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、支護(hù)困難,如何制定有效的設(shè)計(jì)對(duì)策以控制軟巖變形是深埋軟巖隧洞設(shè)計(jì)和施工面臨的重要技術(shù)難題之一。軟巖隧洞變形控制研究主要涉及3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題:軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系承載機(jī)制、圍巖-支護(hù)體系的安全控制指標(biāo)與控制標(biāo)準(zhǔn)、軟巖隧洞的合理支護(hù)時(shí)機(jī)與支護(hù)強(qiáng)度。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等不同途徑對(duì)軟巖變形控制問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了豐富的研究成果。分析了有關(guān)軟巖變形控制3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的研究進(jìn)展,探討了圍巖荷載的作用形式以及圍巖-支護(hù)的荷載分擔(dān)比例,建立了圍巖-支護(hù)體系的安全控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)深埋軟巖隧洞的合理支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了探討。相關(guān)認(rèn)識(shí)和結(jié)論具有一定的理論和工程意義。

    關(guān) 鍵 詞:

    深埋隧洞; 軟巖; 圍巖-支護(hù)體系; 承載機(jī)制; 支護(hù)時(shí)機(jī); 支護(hù)強(qiáng)度; 滇中引水工程

    中圖法分類(lèi)號(hào): TU443

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

    DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.022

    1 研究背景

    深埋長(zhǎng)大隧洞(道)在中國(guó)重大基建項(xiàng)目中占據(jù)著重要地位,如在建的滇中引水工程,隧洞長(zhǎng)度達(dá)611.99 km,最大埋深達(dá)1 450 m;引漢濟(jì)渭輸水隧洞全長(zhǎng)98.26 km,最大埋深2 012 m;北疆供水工程,最大埋深超過(guò)2 000 m;高黎貢山鐵路隧道全長(zhǎng)34.50 km,隧道最大埋深1 155 m。對(duì)于長(zhǎng)大隧洞(道)而言,往往不可避免地穿越復(fù)雜不良的地質(zhì)區(qū)段。當(dāng)長(zhǎng)大隧洞穿越深埋軟弱圍巖區(qū)段時(shí),常常發(fā)生大變形地質(zhì)災(zāi)害。軟巖大變形是深埋或高應(yīng)力地下工程建設(shè)過(guò)程中遭遇的除巖爆之外的另一種難題。深埋軟巖隧洞變形程度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、支護(hù)困難,對(duì)地下工程建設(shè)與運(yùn)行構(gòu)成極大的威脅,是長(zhǎng)大隧洞工程建設(shè)無(wú)法回避的“瓶頸”問(wèn)題之一。表1為國(guó)內(nèi)外典型深埋軟巖隧洞大變形危害實(shí)例。

    中國(guó)在建和規(guī)劃的各類(lèi)隧洞工程面臨的軟巖大變形問(wèn)題十分突出,如何進(jìn)行深埋軟巖隧洞大變形控制是地下工程領(lǐng)域的一個(gè)重大技術(shù)挑戰(zhàn)。在建的滇中引水工程,輸水隧洞穿越以軟巖為主的洞段累計(jì)長(zhǎng)度高達(dá)208.30 km,占隧洞總長(zhǎng)的34%,經(jīng)初步分析預(yù)測(cè),可能產(chǎn)生軟巖大變形的洞段累計(jì)長(zhǎng)度約為88.85 km,尤以大理I段香爐山隧洞深埋軟巖大變形問(wèn)題最為嚴(yán)峻。此外,大瑞鐵路高黎貢山隧道、引江補(bǔ)漢工程輸水隧洞等都面臨著嚴(yán)峻的大變形地質(zhì)災(zāi)害,給深埋長(zhǎng)大隧洞工程的建設(shè)及運(yùn)行安全提出了極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

    深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系安全控制研究對(duì)于今后深埋隧洞工程建設(shè)與安全運(yùn)行具有十分重要的意義,如果能夠?qū)ζ溥M(jìn)行較準(zhǔn)確的分析、評(píng)估和制定有效的設(shè)計(jì)對(duì)策,將極大地減少和避免工程事故的發(fā)生,節(jié)約工程建設(shè)和運(yùn)行成本。但是,由于深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系的特殊性和復(fù)雜性,目前,國(guó)內(nèi)外在深埋軟巖隧洞的支護(hù)設(shè)計(jì)方面尚無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),隧洞設(shè)計(jì)和施工規(guī)范對(duì)軟巖大變形問(wèn)題僅作了一些基本的規(guī)定和要求,尚無(wú)可供遵循的切實(shí)可行的辦法。如何確定深埋軟巖隧洞的合理支護(hù)設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)圍巖-支護(hù)體系的長(zhǎng)期安全控制,這迫切需要在相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法方面取得突破。

    2 深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系承載機(jī)制

    2.1 圍巖-支護(hù)體系承載機(jī)制研究現(xiàn)狀

    在隧洞圍巖-支護(hù)承載機(jī)制研究方面,至少經(jīng)歷了古典壓力理論階段、塌落拱理論階段和彈塑性理論(共同作用原理)階段。目前工程實(shí)踐中常采用的荷載計(jì)算方法(荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法)通常是對(duì)上述理論研究的深化和工程應(yīng)用化的發(fā)展(見(jiàn)表2)。塌落拱理論基于剛塑性模型,可以通過(guò)初等計(jì)算給出襯砌承擔(dān)的松動(dòng)圍巖壓力大小,是目前工程規(guī)范中常用的計(jì)算方法,如SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]、TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]等。但它不考慮圍巖自承和初期支護(hù)的分載,無(wú)法回答圍巖的變形問(wèn)題。此外,圍巖壓力計(jì)算公式與隧洞埋深無(wú)關(guān),這與實(shí)際情況不符。

    基于彈塑性力學(xué)方法的共同作用原理,將圍巖壓力視為形變壓力,充分考慮了圍巖自承以及圍巖-支護(hù)共同作用,在概念和理論上更加合理。在此基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了“圍巖松動(dòng)圈”[8]“主次承載區(qū)”[9]“關(guān)鍵承載圈”[10]等理論,工程實(shí)踐中也常采用預(yù)留變形、先讓后抗等支護(hù)讓壓理念。但共同作用原理受計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)制約,很難準(zhǔn)確有效地模擬實(shí)際情況。此外,共同作用原理通常反映的是變形壓力,但隨著塑性區(qū)或塑性位移發(fā)展到一定程度,圍巖塑性區(qū)會(huì)塌落破壞繼而產(chǎn)生松動(dòng)壓力,如何確定最小支護(hù)壓力(或塑性位移發(fā)展到何種程度產(chǎn)生松動(dòng)壓力),至今沒(méi)有較好的解決辦法。

    對(duì)于深埋軟巖隧洞,在支護(hù)及時(shí)且支護(hù)強(qiáng)度到位的情況下,結(jié)構(gòu)主要承受形變壓力;而當(dāng)支護(hù)不及時(shí),圍巖產(chǎn)生松動(dòng)塌落趨勢(shì)時(shí),結(jié)構(gòu)則主要承受松動(dòng)壓力。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考量,采用符合實(shí)際的隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,才能確保設(shè)計(jì)安全合理。而目前,國(guó)內(nèi)相關(guān)隧洞(道)規(guī)范中有的只按松動(dòng)壓力,采用荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算;有的按形變壓力,采用地層-結(jié)構(gòu)法計(jì)算。采用的計(jì)算模型和方法常與實(shí)際情況不符,降低了設(shè)計(jì)的可靠性。而且不同行業(yè)設(shè)計(jì)單位采用的設(shè)計(jì)方法不同,初期支護(hù)形式和襯砌厚度也有較大差異,反映出國(guó)內(nèi)隧道界設(shè)計(jì)思想的不一致。

    對(duì)于初期支護(hù)滯后掌子面距離D=1 m,5 m,支護(hù)前洞壁位移分別為7.3,13.3 cm,相應(yīng)的圍巖荷載釋放系數(shù)分別為0.86,0.94?!肮餐w”中支護(hù)結(jié)構(gòu)承載比例依次為28.2%,11.0%;塑性區(qū)圍巖承載比例依次為71.8%,89.0%??梢?jiàn),在圍巖-支護(hù)共同作用原理的框架下,支護(hù)時(shí)機(jī)不同,初期支護(hù)和圍巖承擔(dān)的荷載比例亦有所區(qū)別。在圍巖連續(xù)、不松動(dòng)坍落的情況下,支護(hù)時(shí)機(jī)越晚(支護(hù)施作距掌子面越遠(yuǎn)),支護(hù)承載比例越低,塑性區(qū)圍巖承載比例越高,但是塑性圍巖承載比例高,勢(shì)必要發(fā)展更大范圍的塑性圈厚度,對(duì)應(yīng)于上述兩種支護(hù)時(shí)機(jī),塑性圈深度依次為6.5,7.2 m。需要指出的是,上述分析是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假定和圍巖-支護(hù)共同作用原理,暫未考慮塑性區(qū)發(fā)展到一定深度而導(dǎo)致圍巖坍塌失穩(wěn)的情形。

    以上分析了在不同支護(hù)時(shí)機(jī)下初期支護(hù)的整體承載比例,其中,初期支護(hù)中包含了錨桿、噴混凝土(含鋼筋網(wǎng))、鋼拱架,各支護(hù)構(gòu)件的承載比例取決于施作時(shí)機(jī)、結(jié)構(gòu)剛度和承載強(qiáng)度極限。以VZ-B型支護(hù)為例,錨桿、噴混凝土、鋼架的支護(hù)剛度比例為1.00∶20.90∶4.15,極限承載能力的比例為1.00∶5.30∶3.84。如果初期支護(hù)強(qiáng)度足夠,各支護(hù)結(jié)構(gòu)均未達(dá)到承載極限,則各支護(hù)構(gòu)件的承載比例與其結(jié)構(gòu)剛度比例基本一致;如果初期支護(hù)強(qiáng)度不足,噴混凝土剛度相對(duì)較大,隨圍巖位移增長(zhǎng)最先達(dá)到承載極限而發(fā)生破壞。噴混凝土本身屬于脆性材料,可通過(guò)分次噴混凝土(減少單次噴混凝土厚度)進(jìn)一步增加噴混凝土的柔性,允許其適應(yīng)一定程度變形而不破壞,進(jìn)而增加整個(gè)初期支護(hù)系統(tǒng)的承載能力。

    此外,對(duì)于錨桿、噴混凝土、鋼拱架,當(dāng)它們剛度比例和承載極限比例相差不大時(shí),初期支護(hù)措施才更為經(jīng)濟(jì)合理,否則,當(dāng)一種支護(hù)結(jié)構(gòu)很快達(dá)到強(qiáng)度極限而失效,進(jìn)而使得大部分荷載轉(zhuǎn)移到其他支護(hù)結(jié)構(gòu)上,對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載不利。

    3 深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系安全控制

    由于圍巖條件的復(fù)雜多變性、荷載效應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的不確定性,深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系安全控制一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系安全控制,首先需要建立合理的控制指標(biāo)和控制標(biāo)準(zhǔn),其次,在滿(mǎn)足安全控制標(biāo)準(zhǔn)前提下,研究確定隧洞的合理支護(hù)時(shí)機(jī)和合理支護(hù)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力合理釋放與有效約束的平衡。

    3.1 隧洞加固支護(hù)理論與技術(shù)

    20世紀(jì)初形成了古典壓力理論,其理論核心是不考慮圍巖結(jié)構(gòu)特性,認(rèn)為支護(hù)上荷載等于上覆圍巖自重應(yīng)力,代表人物為20世紀(jì)初的Haim,Rankin等[16]。其后,發(fā)展出以Terzaghi和普氏理論為代表的坍落拱理論,其核心思想認(rèn)為隧道圍巖上方會(huì)形成塌落拱,拱內(nèi)圍巖重量就是支護(hù)荷載來(lái)源[17]。20世紀(jì)50年代,彈塑性力學(xué)成為解決隧道支護(hù)的主要手段,如著名的Fenner公式[18]和Kastner公式[19]。20世紀(jì)60年代,Rabcewicz[20]提出了新奧法,其核心是利用隧洞圍巖的自承作用,促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,使圍巖與構(gòu)筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成堅(jiān)固的支承環(huán)。目前新奧法已成為地下工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一,其缺點(diǎn)是單純錨噴支護(hù)對(duì)于破碎性巖體、高應(yīng)力軟巖以及膨脹性巖體等并不能很好地解決問(wèn)題。20世紀(jì)70年代,Salamon[21]提出了能量支護(hù)理論,認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共同變形,主張利用支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),自動(dòng)調(diào)整吸收和釋放多余的能量。20世紀(jì)80年代,意大利Lunardi[22]教授提出了新意法(ADECO-RS),該工法把主要的注意力放在掌子面超前核心土的穩(wěn)定上,強(qiáng)調(diào)控制圍巖變形、注重掌子面前方圍巖的超前支護(hù)和加固。除上述之外,日本山地宏和櫻井春輔提出了圍巖支護(hù)的應(yīng)變控制理論[23],源于蘇聯(lián)的應(yīng)力控制理論,即圍巖弱化法、卸壓法等[24];Wang等[25]提出了控制隧道使用期穩(wěn)定性的有效理論;Jiang等[26]提出了一種預(yù)測(cè)軟巖隧道塑性區(qū)發(fā)展和松動(dòng)壓力的理論方法,并給出了洞室失穩(wěn)判據(jù)。

    在國(guó)內(nèi),隨著礦業(yè)、交通、水利事業(yè)的發(fā)展,相關(guān)學(xué)者對(duì)隧洞的支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,形成了一系列頗具特色的理論。如董方庭等[8]基于巖體聲波測(cè)試提出了圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論;孫鈞[27]提出了高強(qiáng)度大弧板復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu);方祖烈[28]提出了主次承載區(qū)支護(hù)理論;何滿(mǎn)潮等[29]提出了軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論,即關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論;李術(shù)才等[30]研發(fā)了軟弱破碎地質(zhì)條件下鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)體系;范秋雁[31]提出了軟巖流變地壓控制原理;馮豫等[32-33]提出了先柔后剛,先讓后抗,柔剛適度,穩(wěn)定支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)技術(shù);汪成兵[34]提出了隧道圍巖動(dòng)態(tài)壓力拱理論等。

    在工程實(shí)踐方面,針對(duì)深埋軟巖隧洞大變形控制技術(shù),世界各國(guó)都進(jìn)行了研究,如奧地利阿爾貝格隧道采取9.0~12.0 m長(zhǎng)錨桿加固,日本惠那山隧道采取可縮式鋼架支撐和6.0~13.5 m長(zhǎng)錨桿加固,烏鞘嶺隧道采取加大預(yù)留變形量、短臺(tái)階開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)措施等。其主要技術(shù)成果可歸納為:預(yù)留足夠變形量、加強(qiáng)超前支護(hù)、短臺(tái)階法開(kāi)挖、加強(qiáng)錨桿支護(hù)、及時(shí)襯砌加強(qiáng)。蘭渝鐵路木寨嶺隧道根據(jù)大變形洞段的變形程度,分層施作大剛度支護(hù)。滇中引水工程香爐山隧洞在軟巖控制方面充分考慮了支護(hù)讓壓以發(fā)揮圍巖自承作用,采用了讓壓錨桿、可縮式U型鋼拱架和預(yù)留變形量。預(yù)留變形量如下:當(dāng)軟巖洞段埋深h≤300 m時(shí),預(yù)留變形量為8 cm;當(dāng)軟巖洞段埋深300 m600 m時(shí),預(yù)留變形量為20 cm。

    由于隧洞工程是一個(gè)高度復(fù)雜的不確定和不確知系統(tǒng),其物性參數(shù)、本構(gòu)模型、計(jì)算邊界條件(地應(yīng)力)等均無(wú)法準(zhǔn)確確定,使得國(guó)內(nèi)已建成或在建的深埋軟巖隧洞均是在施工過(guò)程中被動(dòng)驗(yàn)證變形的有效治理方案,工程施工異常艱難。例如,蘭渝鐵路全線(xiàn)29座深埋軟巖隧道自2009年開(kāi)工后發(fā)生大變形地段近4 km[2],拆換工程量大、變更數(shù)量多,安全風(fēng)險(xiǎn)處處存在,給工程的現(xiàn)場(chǎng)施工和管理帶來(lái)了極大的困難。

    3.2 圍巖-支護(hù)體系安全控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

    對(duì)于深埋軟巖隧洞,圍巖-支護(hù)體系的破壞模式主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面:

    (1) 軟弱圍巖破壞的主要表現(xiàn)形式為變形嚴(yán)重侵限、頂拱掉塊、底鼓隆起、局部坍塌失穩(wěn)等。

    (2) 錨桿失效的主要表現(xiàn)形式為托板失效、桿體拉斷、粘結(jié)破壞、錨空失效等。

    (3) 噴混凝土破壞形式與圍巖的破壞形態(tài)相關(guān),裂隙巖體松動(dòng)塌落,會(huì)導(dǎo)致噴混凝土局部拉裂、錯(cuò)剪、撕裂及剝落;破碎軟弱巖體中,噴混凝土破壞形式主要變現(xiàn)為片狀剝落(壓酥)或剪切破壞。

    (4) 鋼拱架破壞形式分為兩類(lèi):① 是強(qiáng)度破壞,即在最危險(xiǎn)截面產(chǎn)生塑性鉸;② 是失穩(wěn)破壞,分為主平面內(nèi)失穩(wěn)、側(cè)傾屈曲失穩(wěn)以及翼緣、腹板的局部失穩(wěn)等方式。

    對(duì)于圍巖-支護(hù)體系安全控制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧洞圍巖穩(wěn)定性判別方面研究廣泛,而對(duì)支護(hù)體系有效性及可靠性研究則涉及較少。張頂立[12]對(duì)隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,指出了隧道圍巖失穩(wěn)模式、失穩(wěn)機(jī)理和失穩(wěn)范圍的確定方法。李文江[35]基于塑性應(yīng)變突變理論對(duì)軟巖隧洞穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,并確定了未支護(hù)隧道的極限位移。萬(wàn)志軍等[36]通過(guò)彈塑黏性元件組合模型成功預(yù)測(cè)了某巷道破壞圈范圍。謝軍等[37]探討了廣州龍頭山隧道運(yùn)營(yíng)期預(yù)警值的確定問(wèn)題。在設(shè)計(jì)和施工規(guī)范方面,關(guān)于深埋軟巖隧洞安全控制尚無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),隧洞設(shè)計(jì)和施工規(guī)范僅作了一些原則上的規(guī)定和要求,尚無(wú)可供遵循的切實(shí)可行的辦法,如《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定Ⅲ級(jí)大變形可采取預(yù)加固地層、噴層留縱縫、網(wǎng)噴或噴鋼纖維混凝土、長(zhǎng)錨桿、型鋼鋼架或可縮式鋼架、掌子面補(bǔ)強(qiáng)或封閉、兩次或多次支護(hù)等措施。

    圍巖-支護(hù)體系作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),如何評(píng)價(jià)其整體的服役安全狀態(tài)是值得探討的課題。對(duì)于圍巖-支護(hù)體系的安全控制指標(biāo),這里提出兩種方案。

    3.3 深埋軟巖隧洞合理支護(hù)時(shí)機(jī)與支護(hù)強(qiáng)度

    隧洞的支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)強(qiáng)度問(wèn)題本質(zhì)上是地應(yīng)力合理釋放與有效約束的平衡問(wèn)題,該問(wèn)題是隧洞施工力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧洞的合理支護(hù)時(shí)機(jī)研究相對(duì)廣泛,如Farias等[39]采用三維數(shù)值模擬研究了新奧法開(kāi)挖隧道的位移控制問(wèn)題;蘇凱[40]、朱澤奇[41]等對(duì)不同支護(hù)時(shí)機(jī)的地下洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。然而,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)有效控制軟巖變形所需的合理支護(hù)強(qiáng)度缺乏定量研究,使得支護(hù)設(shè)計(jì)多依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn),或者針對(duì)某一具體工程開(kāi)展的數(shù)值模擬,缺乏可靠的理論作為指導(dǎo)。

    根據(jù)圍巖-支護(hù)體系的安全控制標(biāo)準(zhǔn),如何確定圍巖合理的支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)強(qiáng)度值得研究。支護(hù)時(shí)機(jī)與所需支護(hù)強(qiáng)度是對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體。一般而言,早支護(hù)對(duì)變形控制有利,但卻需要較高的支護(hù)強(qiáng)度,甚至初期支護(hù)結(jié)構(gòu)難以滿(mǎn)足支護(hù)強(qiáng)度的要求。以香爐山V類(lèi)泥質(zhì)巖類(lèi)為例(樁號(hào)DLI 15+750),其埋深600 m,圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4,設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表5,結(jié)合圍巖特征曲線(xiàn)與縱向位移曲線(xiàn)確定不同支護(hù)時(shí)機(jī)下所需的支護(hù)抗力值如圖2所示。可以得出:滯后掌子面1 m施作支護(hù),對(duì)應(yīng)于隧洞邊界位移0.073 m,穩(wěn)定隧洞圍巖所需的支護(hù)力約2.12 MPa;滯后掌子面1倍洞室半徑(5 m)施作支護(hù),對(duì)應(yīng)于隧洞邊界位移0.133 m,穩(wěn)定隧洞圍巖所需的支護(hù)力約0.83 MPa。

    對(duì)于大洞徑隧洞(香爐山隧洞開(kāi)挖洞徑約10 m),依靠噴混凝土、錨桿和鋼拱架很難提供2.00 MPa以上的支護(hù)力或支護(hù)強(qiáng)度。以香爐山隧洞VZ-B型支護(hù)為例(見(jiàn)表5),噴混凝土、鋼拱架、錨桿合計(jì)提供的支護(hù)強(qiáng)度約1.25 MPa,如果考慮各支護(hù)構(gòu)件的剛度比例與承載極限不匹配的問(wèn)題,整體承載能力還會(huì)大幅降低。對(duì)于初期支護(hù)強(qiáng)度不足的問(wèn)題,一般采用兩種方案:① 強(qiáng)支硬頂,加強(qiáng)初期支護(hù),并及時(shí)施作二次襯砌;② 讓圍巖充分變形以換取支護(hù)強(qiáng)度,也就是讓“塑性巖體+支護(hù)共同體”中的塑性巖體多承擔(dān)荷載,一般留足預(yù)留變形量,并采用讓壓支護(hù)或適當(dāng)延遲支護(hù)施作時(shí)機(jī),如圖3所示。

    上述算例中,若支護(hù)時(shí)機(jī)為滯后掌子面1 m,VZ-B型支護(hù)顯然不能夠滿(mǎn)足支護(hù)強(qiáng)度要求;若通過(guò)讓壓或延遲支護(hù),使得支護(hù)結(jié)構(gòu)在滯后掌子面1倍洞室半徑(5 m)處發(fā)揮作用,初期支護(hù)的承載能力整體上能夠滿(mǎn)足圍巖穩(wěn)定要求,并且留有一定安全裕度(承載狀態(tài)安全系數(shù)為1.25/0.83=1.51)。但考慮到各支護(hù)構(gòu)件的剛度比例與承載極限不匹配,隨著圍巖變形增加,某個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)先達(dá)到承載極限屈服破壞,進(jìn)而使得荷載轉(zhuǎn)移到其他支護(hù)結(jié)構(gòu)上,正因?yàn)槿绱耍拔慕⒅ёo(hù)體系安全控制指標(biāo)時(shí),將某一種支護(hù)結(jié)構(gòu)的首先破壞視作整個(gè)初期支護(hù)系統(tǒng)的破壞。VZ-B型支護(hù)中,錨桿、噴混凝土、鋼拱架的剛度比例為1.00∶20.90∶4.15,承載極限比例為1.00∶5.30∶3.84。如圖4所示,支護(hù)施加后,隨圍巖變形增加到0.136 m,噴混凝土先達(dá)到承載極限,而此時(shí)鋼拱架承擔(dān)荷載為0.13 MPa,錨桿承載0.03 MPa,支護(hù)體系整體承載合計(jì)值尚未達(dá)到0.83 MPa,不能滿(mǎn)足圍巖收斂穩(wěn)定的要求。由于噴混凝土達(dá)到屈服狀態(tài),按前文約定,此時(shí)支護(hù)體系安全系數(shù)小于1.0,不滿(mǎn)足圍巖-支護(hù)體系安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

    需要指出的是,初期支護(hù)體系不能滿(mǎn)足承載狀態(tài)安全要求是因?yàn)橛?jì)算中噴混凝土剛度較大而首先達(dá)到破壞。實(shí)際工程中,噴混凝土的強(qiáng)度、剛度是隨著時(shí)間逐步增長(zhǎng)的。這一時(shí)間效應(yīng)會(huì)使得噴混凝土承擔(dān)荷載比例相應(yīng)降低??紤]噴混凝土剛度和強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)相對(duì)復(fù)雜,需要現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)支持,本文為方便討論,對(duì)噴混凝土剛度作一假設(shè),使噴混凝土的彈性模量降低為設(shè)計(jì)值的70%,計(jì)算支護(hù)作用曲線(xiàn)如圖5所示,圖中虛線(xiàn)為噴混凝土彈模折減后的作用曲線(xiàn)。

    圖5中,考慮噴混凝土彈性模量折減后,錨桿和鋼拱架的承載比例相應(yīng)增加,強(qiáng)度得到更有效的發(fā)揮。隨圍巖變形到0.138 m,支護(hù)抗力與圍巖壓力達(dá)到平衡狀態(tài),此時(shí),噴混凝土承擔(dān)荷載為0.58 MPa,鋼拱架承擔(dān)荷載為0.19 MPa,錨桿承載0.05 MPa,噴混凝土、鋼拱架、錨桿的承載比例為11.6∶3.8∶1.0,支護(hù)體系承載安全指標(biāo)為:Ksupport=1.12,圍巖變形收斂安全指標(biāo)為Krock-support=1.09,支護(hù)強(qiáng)度基本能夠滿(mǎn)足圍巖收斂穩(wěn)定的要求。

    此外,另一種有效降低噴混凝土剛度、增加其柔性的方法是通過(guò)分次噴混凝土(減少單次噴混凝土厚度),通過(guò)增加噴混凝土柔性,允許其適應(yīng)一定程度變形而不破壞,進(jìn)而可增加整個(gè)初期支護(hù)系統(tǒng)的承載能力。圖6中虛線(xiàn)為分兩次噴混凝土的支護(hù)作用曲線(xiàn)。從圖中可以看出:分次噴混凝土增加了噴混凝土的柔性,使得圍巖變形進(jìn)一步增加,降低了噴混凝土的承載比例。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,圍巖變形到0.139 m時(shí),支護(hù)抗力與圍巖壓力達(dá)到平衡狀態(tài),此時(shí),噴混凝土承擔(dān)荷載為0.50 MPa,鋼拱架承擔(dān)荷載為0.26 MPa,錨桿承擔(dān)荷載荷載為0.06 MPa,噴混凝土、鋼拱架、錨桿的承載比例為8.3∶4.3∶1.0,支護(hù)體系承載安全指標(biāo)為Ksupport=1.30,圍巖變形收斂安全指標(biāo)為Krock-support=1.08,支護(hù)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足圍巖安全穩(wěn)定的要求。

    噴混凝土屬于脆性材料,通過(guò)分次噴混凝土增加柔性是調(diào)控圍巖變形的一種重要手段。在初次噴射混凝土?xí)r,由于噴層薄,能有控制地允許圍巖出現(xiàn)較大變形;當(dāng)二次噴混凝土?xí)r,又能迅速降低變形量,以免圍巖出現(xiàn)過(guò)量變形而喪失穩(wěn)定。

    對(duì)于錨桿、噴混凝土、鋼拱架等初期支護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)它們剛度比例和承載極限比例相差不大時(shí),初期支護(hù)措施才更為經(jīng)濟(jì)合理。因此,可通過(guò)調(diào)整各支護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)格或調(diào)整不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī),使各支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到更好的發(fā)揮,進(jìn)而增強(qiáng)初期支護(hù)系統(tǒng)的整體承載性能。

    4 討 論

    建立有效的安全控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行圍巖-支護(hù)體系安全控制的基礎(chǔ)。對(duì)于位移控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn),由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)滯后于掌子面,容易丟失施測(cè)前的初始位移,可以適當(dāng)結(jié)合數(shù)值計(jì)算進(jìn)行修正。圖7是基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的典型位移曲線(xiàn)型式,圖8是基于數(shù)值模擬的典型位移曲線(xiàn)型式,其中,D為監(jiān)測(cè)斷面距掌子面距離,r為隧洞半徑。

    對(duì)于支護(hù)體系承載狀態(tài)控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn),支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)受力不易獲取,且破壞形式多樣,其控制標(biāo)準(zhǔn)需綜合考慮支護(hù)的破壞模式及成因。以型鋼拱架為例,其破壞模式分為強(qiáng)度破壞和屈曲失穩(wěn)破壞兩類(lèi),失穩(wěn)分為面內(nèi)失穩(wěn)和面外(側(cè)向)失穩(wěn)。

    目前,隧洞(道)界對(duì)鋼拱架穩(wěn)定性分析已有部分研究,但多是針對(duì)主平面內(nèi)失穩(wěn),如朱永全[42]、孫毅[43]、王波[44]等的研究。相比面內(nèi)失穩(wěn),鋼拱架的側(cè)向彎扭失穩(wěn)更為普遍。型鋼拱架最常用的截面是工字形(含H形),其顯著特點(diǎn)是兩個(gè)主軸慣性矩相差較大,如I20a工字鋼主慣性矩之比為Ix/Iy=15。因此,工字形構(gòu)件在主平面內(nèi)抗彎曲能力較大,而其側(cè)向剛度、抗扭剛度較小。當(dāng)鋼拱架最大剛度平面(主平面)內(nèi)的載荷較小時(shí),拱架彎曲平衡是穩(wěn)定的,隨著主平面內(nèi)載荷的增加,如果鋼拱架的側(cè)向支承較弱,則會(huì)在主平面達(dá)到撓曲或塑性屈服前,突然出現(xiàn)側(cè)向彎曲,甚至扭轉(zhuǎn),使鋼拱架喪失繼續(xù)承載能力而破壞,即出現(xiàn)鋼拱架的側(cè)向彎扭屈服或整體失穩(wěn),如圖9所示[45]。

    依托香爐山隧洞,采用ANSYS軟件分析鋼拱架側(cè)向屈曲失穩(wěn)。如果不考慮鋼架之間的縱向連接鋼筋、噴混凝土以及鋼架與圍巖之間的摩擦約束作用,一階屈曲失穩(wěn)的臨界應(yīng)力為3.45 MPa,遠(yuǎn)小于鋼材的屈服極限??梢?jiàn)無(wú)側(cè)向約束時(shí),鋼拱架極易側(cè)向屈曲失穩(wěn)。實(shí)際工程中,噴混凝土和縱向連接筋對(duì)鋼拱架形成側(cè)向約束,但也存在局部脫空,假定鋼拱架頂部90°范圍噴混凝土脫空,則鋼拱架的側(cè)向屈曲模態(tài)如圖10所示。此時(shí),鋼拱架側(cè)向一階屈曲失穩(wěn)的臨界應(yīng)力為30.36 MPa,較無(wú)側(cè)向約束時(shí),臨界荷載有了較大提升,但仍小于鋼材的屈服極限。

    由前文可知,鋼拱架破壞分為強(qiáng)度破壞、主平面內(nèi)失穩(wěn)、側(cè)向失穩(wěn)三種形式,因此,建立鋼拱架安全控制指標(biāo)時(shí),其極限承載力應(yīng)是上述三種破壞形式對(duì)應(yīng)的極限荷載的最小值。

    值得說(shuō)明的是,鋼拱架的實(shí)際邊界條件要比上述分析更為復(fù)雜,后續(xù)工作中,將根據(jù)鋼拱架不同邊界條件(考慮不同約束條件、荷載非均勻、墊板處承受集中荷載等)作進(jìn)一步分析。

    5 結(jié) 論

    (1) 對(duì)于深埋軟巖隧洞,在支護(hù)及時(shí),且支護(hù)強(qiáng)度到位的情況下,結(jié)構(gòu)主要承受形變壓力;而當(dāng)支護(hù)不及時(shí),圍巖有松動(dòng)塌落趨勢(shì)時(shí),結(jié)構(gòu)則主要承受松動(dòng)壓力,設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考量,采用符合實(shí)際的隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,才能確保設(shè)計(jì)安全合理。

    (2) “塑性圍巖-支護(hù)共同體”承擔(dān)的總的釋放荷載是一給定值,取決于初始應(yīng)力與圍巖力學(xué)參數(shù)。若支護(hù)結(jié)構(gòu)施加較早或剛度較大,則支護(hù)結(jié)構(gòu)承載較多,相應(yīng)地,塑性區(qū)則承擔(dān)荷載較少,因此需要承載的塑性圈厚度也較小;而當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)剛度較小時(shí),支護(hù)承載少,必然導(dǎo)致塑性區(qū)承載較高,需要更厚的塑性圈來(lái)承擔(dān)相應(yīng)的荷載。

    (3) 有效的安全控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行圍巖-支護(hù)體系安全控制的基礎(chǔ)。在綜合考慮圍巖-支護(hù)破壞模式及成因的基礎(chǔ)上,本文提出圍巖-支護(hù)體系總體位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)兩套控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn),兩套指標(biāo)相輔相成,共同對(duì)圍巖-支護(hù)體系進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

    (4) 支護(hù)時(shí)機(jī)與所需支護(hù)強(qiáng)度是對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體。本文結(jié)合圍巖特征曲線(xiàn)和縱向位移曲線(xiàn)分析了不同支護(hù)時(shí)機(jī)下穩(wěn)定隧洞圍巖所需的支護(hù)強(qiáng)度。研究表明,早支護(hù)對(duì)變形控制有利,但卻需要較高的支護(hù)強(qiáng)度,甚至初期支護(hù)結(jié)構(gòu)難以滿(mǎn)足支護(hù)強(qiáng)度的要求。對(duì)于香爐山隧洞等開(kāi)挖斷面較大的隧洞(開(kāi)挖洞徑約10 m),依靠噴混凝土、錨桿和鋼拱架很難提供2 MPa以上的支護(hù)力或支護(hù)強(qiáng)度,一般應(yīng)當(dāng)采用讓壓支護(hù)或適當(dāng)延遲支護(hù)施作時(shí)機(jī),即讓“塑性巖體+支護(hù)共同體”中的圍巖多承擔(dān)荷載。

    (5) 對(duì)于隧洞初期支護(hù),由于各支護(hù)(錨桿、噴混凝土、鋼拱架等)結(jié)構(gòu)剛度不同,承載比例亦有所區(qū)別。當(dāng)它們的結(jié)構(gòu)剛度比例與承載極限比例相差不大時(shí),初期支護(hù)措施才更為經(jīng)濟(jì)合理??赏ㄟ^(guò)調(diào)整各支護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)格或調(diào)整不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī),使各支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到更好的發(fā)揮,進(jìn)而增強(qiáng)初期支護(hù)系統(tǒng)的整體承載性能。

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    (編輯:鄭 毅)

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