單薄破碎軟巖隧洞噴錨支護(hù)設(shè)計研究

李 濤

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 隧洞地質(zhì)概況

隧洞(隧道與巷道)噴錨支護(hù)設(shè)計主要有工程類比、理論計算、監(jiān)控量測及其收斂變形數(shù)值分析相結(jié)合等3種基本方法。工程類比法應(yīng)用相對較為廣泛，是在圍巖分類基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)法，與工程實(shí)踐存在較大關(guān)聯(lián)；理論計算法受復(fù)雜多變的圍巖地質(zhì)狀況影響大，巖體模型與其物理力學(xué)參數(shù)合理選擇難度大，計算準(zhǔn)確反映施工方式與支護(hù)時機(jī)等因素亦難，通常僅為參考；現(xiàn)場監(jiān)控量測及其收斂數(shù)值分析相結(jié)合法主要是對圍巖和支護(hù)體系的穩(wěn)定性分析，并非設(shè)計的單一根據(jù)。為此，結(jié)合單薄破碎、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、遇水易崩解軟化的泥質(zhì)云母片巖隧洞噴錨支護(hù)監(jiān)測數(shù)值分析設(shè)計方法的工程實(shí)踐，針對性解決不具顯著塑性流變特性的單薄破碎軟巖隧洞監(jiān)控量測及其收斂數(shù)值分析、信息反饋，以及圍巖和支護(hù)體系穩(wěn)定性判別等問題，并對其進(jìn)行噴錨支護(hù)設(shè)計研究。

隧洞主洞埋深20.0～60.0m，屬淺埋隧洞，1條壓扭性大斷層穿越洞線，工程區(qū)屬貧水區(qū)，巖層褶皺斷裂及節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，平拱直墻型斷面開挖毛洞跨度9.0m，總高6.7m，直墻高4.4m，頂拱高2.3m。采用平拱直墻型斷面施工輔助平支洞為試驗(yàn)洞，毛洞跨度1.8m，高1.9m，拱墻噴錨支護(hù)，底板鋪墊干硬性混凝土，洞身不進(jìn)行二次襯砌。試驗(yàn)洞穿越前寒武系地層深變質(zhì)巖，巖性主要為單薄泥質(zhì)云母片巖，單層層厚一般為0.5～2.0cm，最薄0.15cm，圍巖屬IV類。經(jīng)試驗(yàn)研究，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為0.42MPa，抗拉強(qiáng)度0.03MPa，彈性模量0.53MPa，變形模量0.12MPa，泊松比0.33，抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角31.2°，凝聚力0.14MPa，巖體波速均值3890.0m/s，抗剪強(qiáng)度τ與正應(yīng)力σ關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 巖體τ-σ曲線

主洞及試驗(yàn)洞圍巖工程地質(zhì)主要特性為單薄破碎軟巖，埋深淺，強(qiáng)度低，無地下水；易風(fēng)化為粉狀，風(fēng)化深近10.0m，層間充填物及節(jié)理裂隙切割體微少；巖層傾角與洞軸線交角較大；遇水易崩解軟化；巖體構(gòu)造應(yīng)力已釋放；巖層層間擠壓緊密，開挖臨空后層間懈弛，震動后松弛加劇。

2 監(jiān)控量測及其收斂數(shù)值分析結(jié)合法

監(jiān)控量測及其收斂變形數(shù)值分析結(jié)合法是將定性與定量、類比與分析、現(xiàn)場監(jiān)控量測相結(jié)合的隧洞噴錨支護(hù)設(shè)計方法，是以圍巖分類為基礎(chǔ)，監(jiān)測及其收斂數(shù)值分析為主體，并作為信息反饋的主要依據(jù)，輔助理論計算，綜合判別隧洞圍巖及其支護(hù)體系穩(wěn)定性的可靠方法。先行采用工程類比法設(shè)計，并根據(jù)隧洞圍巖工程地質(zhì)特性，按適宜的理論計算方法分析圍巖及其支護(hù)體系穩(wěn)定性，驗(yàn)證先期噴錨支護(hù)設(shè)計技術(shù)參數(shù)，然后在開挖施工過程中對圍巖與支護(hù)體系進(jìn)行監(jiān)測及其收斂數(shù)值分析，按其成果及時調(diào)整先期噴錨支護(hù)設(shè)計參數(shù)和施工措施，以適應(yīng)開挖不斷揭示的圍巖狀況，以及圍巖和支護(hù)體系穩(wěn)定狀態(tài)，并著重對巖性、巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙、聲波、地下水活動等進(jìn)行詳盡地質(zhì)編錄，及時對穩(wěn)定狀態(tài)作出評估。

2.1 理論計算及有限元分析研究

通過理論計算及有限元分析掌握試驗(yàn)洞圍巖性狀、驗(yàn)證噴錨支護(hù)先期設(shè)計參數(shù)，理論計算按圍巖與支護(hù)共同作用理念，采用非線性有限元分析將圍巖視為全向同性、均質(zhì)接續(xù)彈塑性介質(zhì)，僅考慮自重應(yīng)力作用，隧洞斷面簡化為圓型，按半無限體中的圓孔洞平面應(yīng)變問題建立計算模型。理論計算主要內(nèi)容為無支護(hù)與支護(hù)后懈弛區(qū)、塑性區(qū)、彈塑性區(qū)的位移與應(yīng)力，計算工況為初始應(yīng)力場、開挖與支護(hù)3種狀態(tài)。為驗(yàn)證先期設(shè)計安全性，有限元分析模型按半無限體中的直墻圓拱孔洞平面應(yīng)變問題建立。計算深度取隧洞埋深42.5m(即毛洞跨度的4.72倍)，洞底下部及洞身外側(cè)取90.0m(即毛洞跨度的10.0倍)，按半無限體離散為470個四邊形單元及4個三角形單元，共507個節(jié)點(diǎn)，三角形單元按四邊形單元處理。理論計算及有限元分析與實(shí)測對比研究成果見表1。計算分析研究表明，支護(hù)作用及效果顯著，塑性區(qū)支護(hù)后位移大為降低，圍巖穩(wěn)定狀態(tài)明顯改善。

表1 理論計算及有限元分析與實(shí)測對比成果

2.2 監(jiān)測斷面及項(xiàng)目

隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測斷面布置于具代表性圍巖及特殊地質(zhì)洞段，避免開挖掌子面及洞口“空間約束效應(yīng)”影響，間距一般大于1.5～2.0倍毛洞跨度。試驗(yàn)洞及主洞中布置3個監(jiān)測斷面和1個輔助觀察斷面，每斷面分為2～3個測試斷面，如圖2所示。隧洞監(jiān)測項(xiàng)目主要包括洞周收斂與位移、頂拱下沉，圍巖內(nèi)部與地層位移、洞頂?shù)乇沓两担粐鷰r應(yīng)力-應(yīng)變；錨桿軸力與噴層應(yīng)力；巖體聲波，監(jiān)測項(xiàng)目、方式、內(nèi)容、頻次等見表2。

圖2 監(jiān)測斷面布置(單位：m)

表2 監(jiān)測項(xiàng)目及內(nèi)容與頻次

2.3 監(jiān)測成果分析及信息反饋研究

2.3.1監(jiān)測成果分析

隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明：

(1)圍巖擾動區(qū)：開挖對洞頂?shù)乇砘緹o影響。

(2)“空間約束效應(yīng)”影響范圍及位移：開挖掌子面前方距監(jiān)測斷面近1倍毛洞跨度時圍巖即受輕微擾動，掌子面距后方監(jiān)測斷面約1.5～2.0倍毛洞跨度時，掌子面的空間約束效應(yīng)基本消除；開挖掌子面至監(jiān)測斷面時洞頂周邊位移量約占總量的1/4，洞內(nèi)位移量約占總量的50.0%～80.0%。

(3)圍巖位移及應(yīng)變變化規(guī)律：位移及應(yīng)變經(jīng)18～20d的快速增長后趨于平緩， 35～40d后基本穩(wěn)定，后續(xù)開挖及支護(hù)施工對位移-時間曲線有較大影響，產(chǎn)生階梯型突變形態(tài)。

(4)支護(hù)體系受力狀況：錨桿軸力及噴層應(yīng)變的變化規(guī)律與位移相似，但因支護(hù)體系的約束效應(yīng)，應(yīng)力仍持續(xù)上升且變位受限而滯后10～20d，支護(hù)體系具一定安全度。

(5)聲波測試及圍巖懈弛深度：實(shí)測圍巖縱波波速均值為3890.0m/s，巖體完整性系數(shù)為0.67，結(jié)合圍巖內(nèi)部位移、徑向應(yīng)變及錨桿軸力等因素綜合判別，圍巖懈弛深度洞身頂拱部約1.62m、側(cè)墻部約1.31m。

2.3.2信息反饋

隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，圍巖位移及懈弛深度頂拱大于側(cè)墻，坍塌主要發(fā)生于頂拱，頂拱為重點(diǎn)支護(hù)部位。洞壁位移不均且兩側(cè)不一致，最大位移發(fā)生于頂拱中部為5.0mm，其后為右側(cè)拱腳4.5mm，側(cè)墻最小且上大下小，如圖3所示。因此，結(jié)合監(jiān)測及其收斂數(shù)值分析研究成果，將側(cè)墻先期支護(hù)設(shè)計調(diào)整為上部噴錨，下部取消錨桿僅噴混凝土，頂拱仍維持噴錨網(wǎng)支護(hù)，并向側(cè)墻下延30.0cm。

圖3 隧洞圍巖位移量分布(單位：mm)

依據(jù)隧洞圍巖懈弛深度研究成果，并結(jié)合拉拔試驗(yàn)及地質(zhì)編錄成果，對支護(hù)體系系統(tǒng)錨桿布置、桿體直徑及長度相應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，洞身頂拱由先期設(shè)計間排距1.0m×1.0m、Φ18長3.0m，調(diào)整為間距1.2m、排距1.25m、Φ18長2.8m與Φ16長2.2m梅花型間隔交替布置，側(cè)墻同時調(diào)整為Φ16長1.8m，間排距同頂拱。

根據(jù)隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果，先期噴錨支護(hù)一般需緊跟開挖掌子面，因毛洞具一定自穩(wěn)性，先期支護(hù)可滯后掌子面2個施工循環(huán)實(shí)施。考慮先期支護(hù)后圍巖位移速率不超過0.023mm/d，已基本趨于穩(wěn)定，后期噴錨支護(hù)施作時機(jī)在先期支護(hù)40～50d后進(jìn)行，距開挖掌子面大于2倍毛洞跨度。

3 圍巖穩(wěn)定及支護(hù)研究

3.1 巖體地質(zhì)力學(xué)特性

隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，單薄破碎泥質(zhì)云母片巖主要具彈塑性性狀，且強(qiáng)度低，根據(jù)壓力-變形曲線特性，巖體在較小壓力下即產(chǎn)生塑性變形，5.5MPa壓力時彈性變形僅占總變形的17.2%，無顯著流變性狀，如9#測試斷面在垂直恒壓5.0MPa時，22h的巖體相對位移量僅為0.07mm，如圖4所示。圍巖具層間無充填擠壓緊密，且分布較均勻特性，圍巖聲波測試表明，水平與垂直層面縱波波速差值較小，巖體各向異性系數(shù)僅為6.2%，圍巖可視為各向均質(zhì)同性的接續(xù)彈塑性介質(zhì)。根據(jù)試驗(yàn)洞9#測試斷面巖體承壓變形試驗(yàn)研究所得出的洞周地表沉降曲線如圖5所示，圍巖具較顯著的壓力變形局限性，可采用局部變形理論計算分析。

圖4 9#測試斷面時間-變形曲線

圖5 9#測試斷面地表沉降曲線

3.2 圍巖變形破壞準(zhǔn)則

隧洞圍巖抗剪試驗(yàn)研究成果表明，巖體抗剪強(qiáng)度τ與剪切破壞面上正應(yīng)力σ間的關(guān)系式如下：

τ2=a+bσ

(1)

關(guān)系式為二次拋物線型的包絡(luò)線，如圖6所示，線上各點(diǎn)C、φ值變化為坐標(biāo)函數(shù)，為確定圍巖破壞準(zhǔn)則的一般解析式，可將式(1)改寫為：

圖6 二次拋物線型包絡(luò)線

(2)

以2β表示包絡(luò)線上M點(diǎn)法線對曲線坐標(biāo)水平軸(正應(yīng)力σ軸)的傾角，則建立如下方程組：

(3)

依據(jù)二次拋物線型包絡(luò)線，以τ、σ、2β表示主應(yīng)力σ1、σ3，則建立如下方程組：

(4)

將(2)(3)式代入(4)式，再消減σ可得下式：

(5)

式中，τ—巖體抗剪強(qiáng)度，MPa；σ—剪切破壞面上的正應(yīng)力，MPa；R—圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；A、B—待定系數(shù)，B=A0.5；K—巖體抗壓及抗拉強(qiáng)度換算系數(shù)，取10.0～20.0。

當(dāng)σ1、σ3、R已知時，可由(5)式求得系數(shù)A，代入(2)式即得巖體變形破壞準(zhǔn)則的一般表達(dá)式。

3.3 支護(hù)設(shè)計原則

隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，圍巖位移及懈弛深度頂拱大于側(cè)墻，拱腳和墻腳等應(yīng)力集中部位變形較大。平拱直墻型斷面隧洞橫向變形坍塌主要發(fā)生于頂拱，頂拱是支護(hù)的重點(diǎn)部位，頂拱與側(cè)墻支護(hù)參數(shù)需區(qū)別對待，應(yīng)力集中部位加強(qiáng)支護(hù)，斷層破碎帶洞段或局部失穩(wěn)部位，應(yīng)局部強(qiáng)支護(hù)。

3.4 支護(hù)時機(jī)與空間效應(yīng)利用

充分發(fā)揮圍巖自承能力并力求巖體不產(chǎn)生破壞性懈弛，是“新奧法”噴錨支護(hù)原理的基本理念，既盡其所能維持圍巖原始強(qiáng)度，又控制適度變形。噴錨支護(hù)施作分期、時機(jī)及其參數(shù)主要根據(jù)圍巖性狀與變形特性確定，圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，單薄破碎泥質(zhì)云母片巖噴錨支護(hù)應(yīng)分兩期實(shí)施，先期支護(hù)保證圍巖穩(wěn)定，后期支護(hù)主要為提升安全度。頂拱噴網(wǎng)先期支護(hù)有效擬制圍巖大變形，控制適度變形保持整體性，充分發(fā)揮圍巖自承能力，減輕作用于支護(hù)體系上的變形地壓，限制懈弛地壓，為開挖及后期支護(hù)施工安全提供時間和空間。試驗(yàn)洞支護(hù)實(shí)踐表明，先期支護(hù)噴混凝土厚50.0～80.0mm安全有效。

當(dāng)噴混凝土支護(hù)不能確保圍巖穩(wěn)定時，需嚴(yán)控圍巖變形實(shí)施先期支護(hù)，圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，對于單薄破碎泥質(zhì)云母片巖隧洞，先期支護(hù)體系采用錨桿具合理性，先期噴混凝土支護(hù)后安設(shè)錨桿，既發(fā)揮錨桿作用，又可利用“空間約束效應(yīng)”減輕圍巖擾動，洞身頂拱增設(shè)鋼筋網(wǎng)支護(hù)是必要的。

圍巖變形壓力與支護(hù)剛度及施作時機(jī)等多因素相關(guān)聯(lián)，噴層不宜過厚，一般不大于15.0cm，適當(dāng)增長加密錨桿是增強(qiáng)支護(hù)體系的主要措施。當(dāng)巖體含水率高導(dǎo)致圍巖變形量大，且具顯著流變性時，噴錨支護(hù)按“先柔后剛”原則設(shè)計，及早實(shí)施襯砌并封底。隧洞開挖圍巖臨空并受掌子面持續(xù)前推影響，其性狀隨時間延續(xù)而改變，特別是應(yīng)力重分布期變化尤為顯著。因此，隧洞施工過程中不同時段施作支護(hù)效果存在差異，需根據(jù)開挖揭示的圍巖動態(tài)變化，適宜時機(jī)實(shí)施支護(hù)方可取得最優(yōu)支護(hù)效果。

總體研究分析，隧洞支護(hù)應(yīng)遵循“先期及時，后期適時”原則，適時的支護(hù)時機(jī)確定主要以施作洞段距開挖掌子面距離，以及施作時間與該洞段開挖貫通時間的差值為依據(jù)，兩者需同時兼顧。當(dāng)圍巖穩(wěn)定時，先期支護(hù)可適當(dāng)滯后，但需控制不超過開挖貫通時間及洞長的1/3(即小于等于t0/3與小于等于L0/3)，如圖7所示。圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，單薄破碎泥質(zhì)云母片巖隧洞系統(tǒng)錨桿若作為先期支護(hù)體系，需在先期噴混凝土達(dá)設(shè)計強(qiáng)度約25.0%～35.0%(約為1d)時安設(shè)；若作為終期支護(hù)體系，不應(yīng)滯后開挖貫通時間及洞長(即小于等于t0與小于等于L0)安設(shè)。后期噴混凝土支護(hù)一般應(yīng)在位移變形趨于穩(wěn)定(即時間及洞長至t1與L1)后實(shí)施，利于噴層防裂及防水。

圖7 隧洞開挖后圍巖位移μ-時間t/洞長L關(guān)系曲線

圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，對于單薄破碎泥質(zhì)云母片巖隧洞，合理利用開挖掌子面“空間約束效應(yīng)”，并減輕圍巖擾動，是達(dá)成適時及有效支護(hù)的重要措施。隧洞開挖采用光面爆破減弱圍巖擾動，“臺階法”開挖上下臺階洞長差值不大于1/4～1/5“空間約束效應(yīng)”影響范圍(一般不小于5.0m)，以利用“空間約束效應(yīng)”減輕下臺階開挖對圍巖擾動，先期及后期支護(hù)系統(tǒng)錨桿布設(shè)不應(yīng)超越“空間約束效應(yīng)”影響范圍。

3.5 圍巖穩(wěn)定性判別方法及標(biāo)準(zhǔn)

首先依據(jù)位移-時間曲線形態(tài)定性判別隧洞圍巖穩(wěn)定性，然后采用位移速率定量判別，均速顯示圍巖趨于失穩(wěn)，加速顯示即將失穩(wěn)，減速顯示趨于穩(wěn)定，零速顯示穩(wěn)定。排除施工因素，若位移-時間關(guān)系曲線產(chǎn)生彎折點(diǎn)，以及位移速率均值超允許位移時，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，對于單薄破碎泥質(zhì)云母片巖，穩(wěn)定性按允許位移速率50d內(nèi)均值不高于0.02mm/d，允許總位移量不高于10.0mm的標(biāo)準(zhǔn)判別，若采用收斂位移判別，則按允許位移加倍標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 巖層傾角及走向?qū)鷰r穩(wěn)定性影響

單薄層狀巖體巖層傾角及走向與洞軸線的交角對圍巖穩(wěn)定性影響顯著，影響程度見表3。試驗(yàn)洞圍巖巖層傾角不小于45°，巖層走向與洞軸線交角一般約為70°，傾角及交角均較大，圍巖穩(wěn)定性良好。圍巖褶皺及裂隙等構(gòu)造發(fā)育部位產(chǎn)生小規(guī)模坍塌，巖層傾角較平緩，且走向與洞軸線交角為10°～25°時發(fā)生塌方，隧洞勘察設(shè)計需注重合理選擇洞軸線。

表3 圍巖結(jié)構(gòu)面與洞軸夾角對穩(wěn)定性影響程度

3.7 巖體完整性指標(biāo)

圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，單薄層狀巖體完整性指標(biāo)應(yīng)采用相對完整性指標(biāo)，即如下表達(dá)式：

(6)

式中，Rv—巖體相對完整性指標(biāo)；Vmp—巖體縱波波速均值，m/s；Vmpmax—巖體縱波波速大值的均值，m/s。

Vmp反映巖體結(jié)構(gòu)面對波速的減弱作用，體現(xiàn)完整巖體波速、巖體結(jié)構(gòu)面作用及綜合波速，而Vmpmax主要反映完整及受輕微構(gòu)造影響的混合較完整巖體波速。

4 結(jié)論

(1)隧洞(隧道與巷道)噴錨支護(hù)設(shè)計的工程類比、理論計算、監(jiān)控量測及其收斂變形數(shù)值分析相結(jié)合等3種基本方法各有利弊，均有局限性，需相互補(bǔ)充驗(yàn)證。隧洞圍巖及支護(hù)體系監(jiān)控量測成果分析研究表明，監(jiān)控量測及其收斂變形數(shù)值分析相結(jié)合法具經(jīng)濟(jì)合理性，較工程類比法噴錨支護(hù)投資降低約1/3。

(2)單薄破碎軟巖隧洞采用噴錨支護(hù)可行，并取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成效。

(3)應(yīng)遵循“先期及時，后期適時”原則確定支護(hù)時機(jī)。

(4)單薄破碎軟巖隧洞噴錨支護(hù)需注重巖層性狀及其與洞軸線的相互關(guān)系，注重洞軸線合理選擇及地下水影響。當(dāng)隧洞埋深與斷面較小，無地下水，以及巖層傾角且走向與洞軸線交角較大時，頂拱可采用噴網(wǎng)支護(hù)，反之則需采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，系統(tǒng)錨桿應(yīng)為先期支護(hù)體系，且布設(shè)于“空間約束效應(yīng)”影響范圍內(nèi)。

(5)監(jiān)控量測及其收斂變形數(shù)值分析是軟巖隧洞噴錨支護(hù)設(shè)計的重要方法，需注重收斂位移監(jiān)測及聲波測試，掌控圍巖動態(tài)，判別穩(wěn)定性，聲波波速反映的巖體相對完整性指標(biāo)是科學(xué)的。

(6)研究成果立足于工程實(shí)踐，具一定普遍性，可應(yīng)用于中小斷面軟巖隧洞噴錨支護(hù)設(shè)計與施工參考借鑒，對于大跨度、大斷面軟巖隧洞有待進(jìn)一步深入研究。