夏特水電站隧洞圍巖初期支護(hù)穩(wěn)定性分析

胡 睿，嚴(yán)新軍，歐陽君，田崇磊

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙410007)

0 引 言

隧洞在開挖初期采用不同的支護(hù)方式會(huì)使其穩(wěn)定性發(fā)生變化，而對(duì)其穩(wěn)定性變化的研究主要分為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[1-2]、理論計(jì)算[3-5]、模型試驗(yàn)[6-7]、有限元模擬[8-9]等多種研究方法。隧洞初期支護(hù)的仿真計(jì)算一直是隧洞工程領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值分析技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究并取得了豐碩的成果。吳學(xué)震等[10]根據(jù)錨桿的力學(xué)及變形特性建立了結(jié)構(gòu)模型，研究錨桿加固對(duì)隧洞穩(wěn)定性的影響，得出錨桿加固的主要作用在于限制塑性區(qū)圍巖的變形，但對(duì)塑性區(qū)邊界的位置以及彈性區(qū)巖體的變形控制效果不明顯；王剛等[11]建立了端錨式錨桿-隧洞圍巖耦合作用的結(jié)構(gòu)模型，得出原巖區(qū)的徑向應(yīng)力隨時(shí)間的增大線性增大，切向應(yīng)力隨時(shí)間的增大線性減??；王建宇[12]研究不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的圍巖采用錨桿的加固機(jī)理，得出鋼拱架是一種被動(dòng)型結(jié)構(gòu)，所承受的荷載會(huì)傳遞到拱腳或墻腳。上述研究在隧洞開挖初期支護(hù)施工方面取得了較為豐碩的成果，促進(jìn)了隧洞支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，但仍存在一些問題有待研究。首先，只研究了一種支護(hù)形式對(duì)隧洞穩(wěn)定性的影響；其次，隧洞開挖圍巖類別變化大，不同圍巖間裂縫及塑性區(qū)發(fā)育情況都不相同，故支護(hù)方式也會(huì)發(fā)生變化，上述研究沒有對(duì)比分析不同圍巖類別采用同一方式支護(hù)時(shí)其穩(wěn)定性變化規(guī)律。因此，有必要開展隧洞開挖初期不同圍巖采用同一支護(hù)形式其穩(wěn)定性變化規(guī)律的研究，并對(duì)比分析同一圍巖類別不同支護(hù)形式的圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律。

本文通過現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)得到材料參數(shù)，在有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，利用通用有限元軟件ABAQUS研究隧洞開挖初期不同圍巖采用不同的支護(hù)形式對(duì)隧洞穩(wěn)定性的影響程度。

表1 最大試驗(yàn)壓力下巖體變形統(tǒng)計(jì)

表2 現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)結(jié)果

1 自載式變形試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

本次進(jìn)行巖體原位試驗(yàn)時(shí)，工程正處于施工階段。為了不影響現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，本次試驗(yàn)采用基于剛性承壓板變形試驗(yàn)改進(jìn)而來的自載式變形試驗(yàn)方法，試驗(yàn)所需的外荷載由穿過千斤頂和承壓板固定在巖體內(nèi)部的錨桿提供，具有試驗(yàn)速度快、準(zhǔn)確度高、對(duì)施工影響較小等特點(diǎn)。試驗(yàn)裝置見圖1。試驗(yàn)采用逐級(jí)一次循環(huán)法，分5級(jí)加壓。

圖1 自載式巖體變形試驗(yàn)裝置

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)出露的地層巖性，本次試驗(yàn)在Ⅲ類巖體設(shè)置12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，Ⅳ類巖體設(shè)置20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，Ⅴ類巖體設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，依據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，以4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)為1組，共計(jì)9組試驗(yàn)，具體試驗(yàn)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

最大試驗(yàn)壓力下巖體變形統(tǒng)計(jì)見表1?，F(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)結(jié)果見表2。綜合表1、2數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖典型斷面的彈性模量分別取3.5、2.0 GPa和0.9 GPa。

代表性試驗(yàn)點(diǎn)巖體應(yīng)力-位移關(guān)系見圖3。從圖3可知，各類巖體的變形和模量基本穩(wěn)定，在最大試驗(yàn)壓力時(shí)，巖體的塑性變形量較大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件可知，巖性軟硬、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、飽和度、風(fēng)化程度等是影響巖體變形和模量的主要因素。巖性越好，節(jié)理裂隙發(fā)育越少、飽和度越低、風(fēng)化程度越低，巖體的變形越小，模量越大。

圖3 巖體應(yīng)力-位移關(guān)系

圖4 Ⅲ類圍巖等效塑性應(yīng)變

3 計(jì)算分析

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)成果，各類圍巖有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)采用值見表3。

3.1 Ⅲ類圍巖

依據(jù)計(jì)算分析，Ⅲ類圍巖等效塑性應(yīng)變見圖4。

表3 圍巖有限元計(jì)算參數(shù)

從圖4可知：

(1)Ⅲ類圍巖裸洞安全系數(shù)為3.81，加錨桿后安全系數(shù)為4.0，增加了5%，在施加噴護(hù)后安全系數(shù)顯著增大其值大于10。同時(shí)施加錨桿和噴護(hù)的初期支護(hù)安全系數(shù)的變化規(guī)律也是如此。

(2)裸洞和加錨桿時(shí)等效塑性應(yīng)變都率先出現(xiàn)在洞室的兩側(cè)，最大值分布于隧洞兩側(cè)。

(3)裸洞破壞時(shí)出現(xiàn)的塑性區(qū)明顯大于加錨桿支護(hù)的塑性區(qū)，其原因是錨桿起到加筋作用，增加了土體的抗剪能力，在洞室兩側(cè)施加部分錨桿，從而導(dǎo)致塑性區(qū)明顯向下偏轉(zhuǎn)。

(4)加噴護(hù)時(shí)在靠近頂部的位置上出現(xiàn)最大等效塑性應(yīng)變，此位置較裸洞破壞時(shí)相比，更緊靠洞室的最上端處。

3.2 Ⅳ類圍巖

依據(jù)計(jì)算分析，Ⅳ類圍巖等效塑性應(yīng)變見圖5。從圖5可知：

圖5 Ⅳ類圍巖等效塑性應(yīng)變

(1)Ⅳ類圍巖裸洞安全系數(shù)為1.83，加錨桿后為2.11，安全系數(shù)提高了15%，施加噴護(hù)后安全系數(shù)大于10，施加噴護(hù)和錨桿支護(hù)后安全系數(shù)也大于10，說明噴護(hù)混凝土對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的提升在這幾種初期支護(hù)類型中效果是最明顯的。

(2)Ⅳ類圍巖設(shè)置的錨桿數(shù)量多于Ⅲ類圍巖，且其布置范圍要大于Ⅲ類圍巖，洞室兩側(cè)都布有錨桿。對(duì)比加噴護(hù)及加噴護(hù)和錨桿2種支護(hù)形式可以看出，洞室兩側(cè)等效塑性區(qū)明顯收縮。

3.3 Ⅴ類圍巖

依據(jù)計(jì)算分析，Ⅴ類圍巖等效塑性應(yīng)變見圖6。從圖6可知：

(1)Ⅴ類圍巖裸洞安全系數(shù)小于1，加錨桿后安全系數(shù)也小于1。對(duì)比加鋼拱架及加鋼拱架和錨桿時(shí)的2種支護(hù)形式可以看出，加鋼拱架和錨桿支護(hù)時(shí)塑性區(qū)有了明顯的收縮。

(2)Ⅴ類圍巖加噴護(hù)后安全系數(shù)為2.63，施加錨桿和噴護(hù)后安全系數(shù)為3.01。

(3)Ⅴ類圍巖在開挖初始階段就出現(xiàn)了較大的等效塑性應(yīng)變，其安全系數(shù)小于1.0，意味著隧洞圍巖穩(wěn)定性差，開挖時(shí)需要結(jié)合多種初期支護(hù)措施施工，并適當(dāng)進(jìn)行超前支護(hù)，以保證隧洞開挖施工安全。

(4)鋼拱架對(duì)于塑性區(qū)的限制作用較少，但對(duì)于承擔(dān)應(yīng)力起到了一定的作用。

4 結(jié) 論

本文以新疆夏特水電站引水隧洞為例，通過有限元強(qiáng)度折減法，研究隧洞開挖初期不同圍巖采用不同的支護(hù)形式對(duì)其穩(wěn)定性的影響，得到結(jié)論如下：

(1)加錨桿后，圍巖塑性區(qū)明顯縮小，且隧洞圍巖安全系數(shù)明顯提高了5%～15%，安全系數(shù)增大主要與隧洞圍巖的完整性以及強(qiáng)度有關(guān)。由已建模型可以得出，圓形隧洞的等效塑性應(yīng)變最大值一般出現(xiàn)在隧洞的左右兩側(cè)，故可在此區(qū)域增設(shè)錨桿或增加錨桿長(zhǎng)度以達(dá)到減小等效塑性應(yīng)變的效果。

圖6 Ⅴ類圍巖等效塑性應(yīng)變

(2)加初期噴護(hù)混凝土后，隧洞圍巖安全系數(shù)明顯提高，等效塑性應(yīng)變值明顯減小。隧洞開挖釋放應(yīng)力大部分由噴護(hù)的混凝土承擔(dān)，且利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算時(shí)也更容易收斂，洞室的頂部位移在施加初期噴護(hù)混凝土后也隨之大幅度減少。由此可見，噴護(hù)混凝土支護(hù)對(duì)提高圍巖安全系數(shù)的效果明顯。

(3)加噴護(hù)混凝土和錨桿與只加噴護(hù)混凝土相比，塑性區(qū)范圍減少，安全系數(shù)增加，且隧洞左右兩側(cè)的等效塑性應(yīng)變最大值減??；與只加錨桿相比，安全系數(shù)增加較大且計(jì)算更容易收斂，等效塑性應(yīng)變的增加也更加緩慢，從而破壞速度減小。

(4)Ⅴ類圍巖的完整性較差，強(qiáng)度低，并且可能存在裂隙發(fā)育延伸及斷層等情況，相較于Ⅲ類、Ⅳ類圍巖開挖需增加更多的支護(hù)措施。Ⅴ類圍巖在初期開挖時(shí)，可采用設(shè)置鋼拱架與系統(tǒng)錨桿共同作用的方式對(duì)其進(jìn)行初期支護(hù)，該組合支護(hù)方式極大限制了塑性區(qū)的發(fā)展。同時(shí)，此類圍巖在開挖時(shí)還需增加超前支護(hù)以保證隧洞開挖安全。

(5)塑性區(qū)的發(fā)展路徑基本都是從隧洞左右兩側(cè)開始，逐漸向側(cè)下方發(fā)展，中間貫通后逐漸再向下發(fā)展最后破壞，上部塑性區(qū)發(fā)展的速度要慢于下部，合適的初期支護(hù)措施能有效減緩和限制塑性區(qū)的發(fā)展。