隧洞松動(dòng)圈厚度確定方法及支護(hù)設(shè)計(jì)

冉建西

（水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 83000）

隨著新疆水利工程建設(shè)的不斷深入， 尤其是通過(guò)跨流域調(diào)水解決水資源短缺及分布不均問(wèn)題。 由于大型調(diào)水工程線(xiàn)路長(zhǎng)，出現(xiàn)一批長(zhǎng)距離隧洞，其地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，多有埋深大、地應(yīng)力場(chǎng)高等問(wèn)題。洞室在開(kāi)挖過(guò)程中， 初始應(yīng)力平衡狀態(tài)將受到破壞， 在應(yīng)力釋放工程中洞周?chē)鷰r形成新的松弛碎裂區(qū)域，并達(dá)到新的平衡，稱(chēng)為圍巖松動(dòng)圈，不同巖石和所處的邊界條件松動(dòng)圈的范圍也各不相同。 對(duì)比水利行業(yè)的長(zhǎng)距離隧洞工程，煤礦巷道中對(duì)松動(dòng)圈的研究較多， 但主要集中在軟弱圍巖方向，切合點(diǎn)不一致。 因此，對(duì)于大部分為較完整或較堅(jiān)硬巖體的長(zhǎng)距離輸水隧洞， 研究Ⅲ類(lèi)圍巖松動(dòng)圈厚度與隧洞支護(hù)關(guān)系有著廣泛的影響和節(jié)約投資的目的。

1 工程概況

新疆某隧洞工程為超長(zhǎng)距離無(wú)壓輸水隧洞，總長(zhǎng)92.35km，平均埋深156m，最大埋深295m。 隧洞分別采用2臺(tái)TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)、3臺(tái)盾構(gòu)機(jī)結(jié)合鉆爆法進(jìn)行施工，TBM施工段總長(zhǎng)40.67km， 盾構(gòu)施工段總長(zhǎng)18.97km，鉆爆法施工段總長(zhǎng)32.71km。 隧洞位于中低山區(qū)，沿線(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性復(fù)雜，前段和后段巖性以泥盆系和石炭系凝灰質(zhì)砂巖、 凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰角礫巖等中～堅(jiān)硬巖主，中段分布侏羅系、白堊系、第三系軟巖地層。

隧洞TBM及鉆爆法施工段主要襯砌形式為噴錨支護(hù)， 局部斷層帶及軟巖段采用噴錨支護(hù)和二次鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的復(fù)合式襯砌型式。 TBM施工段為開(kāi)挖洞徑5.5m圓形斷面， 過(guò)流洞徑4.4～5.5m，鉆爆法施工段隧洞主要為馬蹄形斷面，開(kāi)挖洞徑5.26～6.3m，過(guò)流洞徑5.1m。

2 研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用

本文以新疆某隧洞工程為依托， 采用彈塑性理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試等方法對(duì)比分析鉆爆洞段Ⅲ類(lèi)圍巖松動(dòng)圈厚度， 并以此為優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，再通過(guò)收斂監(jiān)測(cè)圍巖位移驗(yàn)證效果。

3 隧洞松動(dòng)圈厚度測(cè)定方法及分析

3.1 松動(dòng)圈理論計(jì)算

3.1.1 基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則松動(dòng)圈半徑計(jì)算方法

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則能反映連續(xù)、均質(zhì)、同性的巖土體脆性破壞、塑性破壞特征，適用于塑性巖石及脆性巖石，理論計(jì)算中常采用M-C準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則計(jì)算塑性區(qū)半徑。 徐干成等［1］按照其屈服準(zhǔn)則研究松動(dòng)圈力學(xué)機(jī)理，認(rèn)為在松動(dòng)圈范圍內(nèi)，其應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于初始應(yīng)力，因此假定在松動(dòng)圈外邊界上環(huán)向應(yīng)力與初始地應(yīng)力相等，即σθ=P，并推導(dǎo)松動(dòng)圈半徑為：

式中 γ為巖體重度；H為隧洞拱頂?shù)穆裰蒙疃取?/p>

本工程鉆爆洞為馬蹄形斷面， 需要將該非圓形斷面等效代換成圓形斷面，這才能帶入式（1）計(jì)算，馬蹄形隧洞等代圓的半徑r0計(jì)算公式［2］為：

式中 h為隧洞開(kāi)挖高度；b為隧洞開(kāi)挖跨度。

圍巖壓力的釋放由圍巖，初期支護(hù)及二次襯砌共同承擔(dān)，根據(jù)圍巖級(jí)別的不同，其相應(yīng)的分擔(dān)比例也不同，當(dāng)圍巖較好時(shí)，圍巖初期支護(hù)的荷載分擔(dān)比取較大值，二次襯砌取較小值；當(dāng)圍巖較差時(shí)則相反。

本文主要研究巖性較好的凝灰質(zhì)砂巖， Ⅲ類(lèi)圍巖初期支護(hù)壓力分擔(dān)比值取0.3［3］，則隧洞初期支護(hù)抗力pi為0.3q。

3.1.2 Ⅲ類(lèi)圍巖物理力學(xué)參數(shù)

新疆某隧洞工程Ⅲ類(lèi)圍巖以石炭系凝灰質(zhì)砂巖為主，青灰色，洞壁無(wú)滲水、滴水現(xiàn)象。 其中，Ⅲa類(lèi)圍巖多呈塊狀、中厚層狀，堅(jiān)硬巖石，節(jié)理裂隙發(fā)育較少，可見(jiàn)裂隙面一般起伏、粗糙、閉合無(wú)充填；Ⅲb類(lèi)圍巖片理化發(fā)育，可見(jiàn)層面較多，中硬～堅(jiān)硬巖石該段片理化發(fā)育巖層間距一般3～8cm，多可見(jiàn)黑灰色擠壓炭質(zhì)粉砂巖，巖石強(qiáng)度較低。Ⅲ類(lèi)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)以?xún)?nèi)試驗(yàn)結(jié)果及參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》相關(guān)巖體參數(shù)范圍進(jìn)行界定，具體如表1。

表1 Ⅲ類(lèi)凝灰質(zhì)砂巖物理力學(xué)參數(shù)

3.1.3 彈塑性理論計(jì)算結(jié)果

本工程鉆爆洞為馬蹄形斷面，Ⅲa、Ⅲb類(lèi)圍巖開(kāi)挖尺寸分別為5.34m×4.97m、6.1m×5.65m，代入式（4）計(jì)算得隧洞等代圓的半徑r0分別為2.58，2.94m；根據(jù)隧洞埋深代入式（3）計(jì)算初始應(yīng)力，按SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算圍巖壓力，再按隧洞荷載分擔(dān)比值0.3折算初期支護(hù)抗力［4］。將以上各項(xiàng)和表1中的巖石物理力學(xué)參數(shù)代入式（1）～式（2），得出隧道松動(dòng)圈半徑及厚度理論值，結(jié)果如表2。

表2 Ⅲ類(lèi)圍巖隧洞松動(dòng)圈半徑及厚度

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 模型建立

本文采用二維網(wǎng)絡(luò)有限元法求解巖土松動(dòng)圈范圍的非線(xiàn)性問(wèn)題，巖體為彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。 假定分區(qū)均勻的巖土塊體，即假設(shè)整個(gè)單元為各向同性彈塑性體，建立非定向彈塑性破壞單元（一般塊體單元）和線(xiàn)單元（錨桿），單元塑性屈服情況為受拉屈服、剪切屈服或兩者的組合。

數(shù)值模擬方法采用ABAQUS軟件， 可分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、多場(chǎng)耦合系統(tǒng)，見(jiàn)長(zhǎng)于模擬非線(xiàn)性的影響，在水利與土木工程有廣泛應(yīng)用。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度， 在較小的拉應(yīng)力下就會(huì)發(fā)生巖石開(kāi)裂。 當(dāng)圍巖應(yīng)變超過(guò)其極限拉應(yīng)變值時(shí)，即圍巖認(rèn)定進(jìn)入松動(dòng)圈［5］，判定準(zhǔn)則公式為：式中 由前人大量常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知， 巖石抗壓強(qiáng)度R壓的1/30～1/10為其抗拉強(qiáng)度R拉；Ee為巖體彈性模量。

原設(shè)計(jì)馬蹄形隧洞的Ⅲa、 Ⅲb類(lèi)圍巖采用2.5m長(zhǎng)φ22砂漿錨桿，間排距1.2m×1.2m，安裝區(qū)域分別為頂拱180°、側(cè)頂拱220°，梅花形布置。 按照該錨桿參數(shù)建立隧洞有限元模型， 生成的塑性區(qū)應(yīng)變?nèi)鐖D1，以式（5）判定松動(dòng)圈范圍的界定。

圖1 Ⅲa（上）、Ⅲb（下）類(lèi)圍巖錨桿支護(hù)應(yīng)變?cè)茍D

取芯試驗(yàn)中，Ⅲa、Ⅲb類(lèi)凝灰質(zhì)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為75，90MPa， 其抗拉強(qiáng)度取其1 /20，那么抗拉強(qiáng)度分別為4.5，3.8MPa，代入式（5）得Ⅲa、Ⅲb類(lèi)圍巖的極限拉應(yīng)變值 ［ε］ 分別為3.75e-04m、3.41e-04m。 由圖1可見(jiàn)，Ⅲa、Ⅲb類(lèi)圍巖松動(dòng)圈厚度拱頂處分別為0.6，1.7m，拱肩處分別為1，1.4m。

3.3 單孔超聲波松動(dòng)圈測(cè)定

3.3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院采用RS-ST01C型非金屬聲波儀檢測(cè)松動(dòng)圈范圍， 主要方法為單孔聲波法，反映沿孔深方向附近巖體波速值的變化情況?，F(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試共布置4個(gè)斷面， 均為凝灰質(zhì)砂巖，隧洞樁號(hào)SD21+600、SD21+610 斷面為Ⅲb 圍巖，SD21+630、SD21+640斷面Ⅲa圍巖。 其中，試驗(yàn)斷面各布置7個(gè)檢測(cè)孔、對(duì)照斷面5個(gè)檢測(cè)孔，檢測(cè)孔深為3m，孔徑60mm超聲波測(cè)試時(shí)，鉆孔中需充滿(mǎn)水以耦合聲波傳播，測(cè)孔布置如圖2。

圖2 檢測(cè)孔布設(shè)簡(jiǎn)圖

3.3.2 測(cè)試結(jié)果

為準(zhǔn)確測(cè)出松動(dòng)圈的范圍， 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在完成初期支護(hù)，并等待圍巖變形趨于穩(wěn)定之后開(kāi)始檢測(cè)。利用聲波雙收探頭測(cè)出探孔不同深度處的巖體縱波波速，得出各剖面孔深-波速曲線(xiàn)圖，如圖3。

圖3 Ⅲa（上）、Ⅲb（下）類(lèi)凝灰質(zhì)砂巖波速－孔深曲線(xiàn)

由圖3可見(jiàn)，Ⅲa、Ⅲb類(lèi)凝灰質(zhì)砂巖波速陡增區(qū)分別為0.8～1.0m、0.8～1.1m， 平均縱波波速分別為3531～4520m/s、3573～4230m/s，受爆破震動(dòng)、圍巖碎膨力作用下裂隙分布密集； 松動(dòng)圈界定區(qū)分別為1.0～1.2m、1.1～1.5m， 平均縱波波速分別為4520～4956m/s、4230～4946m/s，波速值略有增加，但趨勢(shì)放緩， 隨著深度增加圍巖應(yīng)力重分布的破裂區(qū)在逐漸減小， 圍巖的完整性有所提高； 波速穩(wěn)定區(qū)分別為1.2～3.0m、1.5～3.0m， 平均縱波波速分別為4956～5459m/s、4946～5253m/s，圍巖接近原巖狀態(tài)。 結(jié)果表明， 不同的Ⅲ類(lèi)圍巖的縱波波速隨片理化發(fā)育程度增加其略有下降， 縱波波速隨著孔深的增加不斷增加，并趨于穩(wěn)定，開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響隨孔深的增加而減小，巖體的破碎程度也逐漸減小。

3.3.3 松動(dòng)圈厚度確定

參照吳慶東［6］在對(duì)某地下水封洞室圍巖進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試分析，洞壁波速隨徑向深度增加而逐漸增加， 到達(dá)一定深度后波速趨于穩(wěn)定或變化緩慢，則圍巖聲波波速大幅增加結(jié)束后所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的孔深，即為圍巖松動(dòng)圈的厚度。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)較多，為了便于分析將Ⅲa、Ⅲb圍巖測(cè)孔中不同深度的測(cè)點(diǎn)波速值加權(quán)平均，生成平均波速-孔深曲線(xiàn)如圖4。 按判別原則得出Ⅲa、 Ⅲb類(lèi)圍巖松動(dòng)圈厚度分別為1.2，1.4m，與長(zhǎng)科院判斷［7］的1.13，1.32m接近。 圈內(nèi)Ⅲb類(lèi)圍巖波速明顯低于Ⅲa圍巖，波速穩(wěn)定區(qū)卻較為一致。

圖4 Ⅲ類(lèi)凝灰質(zhì)砂巖松動(dòng)圈測(cè)定結(jié)果

3.4 對(duì)比分析結(jié)果

通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分別得出新疆某隧洞工程Ⅲ類(lèi)凝灰質(zhì)砂巖松動(dòng)圈厚度對(duì)比如表3。

表3 松動(dòng)圈結(jié)果對(duì)比

從松動(dòng)圈對(duì)照成果來(lái)看， 數(shù)值模擬成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果較為接近。 也進(jìn)一步說(shuō)明數(shù)值模擬方法以及采用的判別松動(dòng)圈的方法是比較合理的， 基于彈塑性本構(gòu)模型在硬巖隧洞松動(dòng)圈厚度及應(yīng)變計(jì)算上有良好的適用性。 在巖石物理力學(xué)參數(shù)較好的情況下，理論計(jì)算所得的松動(dòng)圈厚度過(guò)小，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定松動(dòng)圈有較大差距， 不建議用彈塑性理論半經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)松動(dòng)圈厚度進(jìn)行計(jì)算。

4 錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化

通過(guò)對(duì)比分析， 新疆某隧洞工程以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法確定松動(dòng)圈厚度優(yōu)化錨桿長(zhǎng)度。 按照懸吊理論錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中 L1為錨桿錨固段長(zhǎng)度（m），采用SL377—2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》［8］公式計(jì)算；L2為松動(dòng)圈厚度值；L3為錨固外露長(zhǎng)度，本工程錨桿外露端長(zhǎng)度為0.12m。

本工程Ⅲ類(lèi)圍巖錨桿為全黏接砂漿錨桿， 錨桿采用φ22Ⅳ級(jí)鋼筋，砂漿標(biāo)號(hào)M20，鉆孔直徑50mm，原設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)2.5m。 根據(jù)附近樁號(hào)SD21+332錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)過(guò)程線(xiàn)如圖5， 實(shí)測(cè)錨桿最大拉應(yīng)力94MPa，那么通過(guò)截面積換算出錨桿抗拉設(shè)計(jì)值為Nt=53kN。代入規(guī)范公式計(jì)算可得錨固段長(zhǎng)度L1為0.46m，再代入式（6）， Ⅲa、 Ⅲb類(lèi)圍巖錨桿長(zhǎng)度計(jì)算值分別為1.68，1.98m。 因此，可將Ⅲ類(lèi)圍巖錨桿長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)的2.5m優(yōu)化至2m。

圖5 錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)過(guò)程線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在巖性較好條件下運(yùn)用理想理論，摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的松動(dòng)圈半徑計(jì)算方法與聲波測(cè)試結(jié)果相差較大。 而在摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則下，建立非定向彈塑性破壞單元有限元模型， 松動(dòng)圈計(jì)算結(jié)果仍小于測(cè)試結(jié)果，但兩者基本接近。分析原因可能是計(jì)算中沒(méi)有考慮爆破對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響。

（2）超聲波松動(dòng)圈測(cè)定技術(shù)使用較為便捷，因此在地下工程中得到大量應(yīng)用，但根據(jù)波速－孔深曲線(xiàn)對(duì)松動(dòng)圈厚度的判別方法各異、差距較大。本工程經(jīng)驗(yàn)為：盡量多采集波速樣本，通過(guò)加權(quán)平均法對(duì)紛亂的數(shù)據(jù)整理出單一曲線(xiàn)， 以圍巖聲波波速大幅增加結(jié)束點(diǎn)（波速趨于穩(wěn)定的開(kāi)始點(diǎn)）作為松動(dòng)圈厚度的判別原則。

（3）隧洞錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化思路：理性計(jì)算和有限元仿真模型分析初步對(duì)照確定錨桿參數(shù)， 工程實(shí)施中通過(guò)超聲波測(cè)定圍巖松動(dòng)圈厚度， 利用錨桿應(yīng)力計(jì)量測(cè)錨桿所承受的拉力， 并按公式計(jì)算所需錨固段長(zhǎng)度，從而調(diào)整錨桿長(zhǎng)度。