支護(hù)條件下隧洞圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

李書友，馮亞輝，職承杰

(1.南水北調(diào)中線實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100176； 2.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300202； 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430000)

1 概 述

某大型引調(diào)水工程位于青藏高原，線路穿越高山峽谷區(qū)，地形高峻陡峭，溝谷深切，隧洞分段樁號41+461～45+853洞身段，長度4.4 km，埋深270～535 m。洞室?guī)r體為泥盆系下統(tǒng)格絨組下段(D1g1)泥質(zhì)板巖，多呈微新狀態(tài)，為較軟巖、板理較發(fā)育；隧洞軸線與巖層走向小角度相交，易出現(xiàn)片幫破壞或掉塊現(xiàn)象，圍巖分類為Ⅳ類。

本文分析IV類泥質(zhì)板巖300 m埋深隧洞在支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)措施既考慮了初期錨噴支護(hù)，也考慮了永久襯砌支護(hù)。與毛洞工況進(jìn)行對比，分析錨固支護(hù)措施對圍巖塑性區(qū)分布、圍巖變形、圍巖的承載性能和受力狀態(tài)產(chǎn)生的正向影響。

2 數(shù)值計(jì)算的基本理論

2.1 運(yùn)動方程

以節(jié)點(diǎn)為計(jì)算對象，將力和質(zhì)量均集中在節(jié)點(diǎn)上，然后通過運(yùn)動方程在時域內(nèi)進(jìn)行求解。節(jié)點(diǎn)運(yùn)動方程可表示為如下形式：

(1)

將式(1)左端用中心差分來近似，則可得到：

(2)

2.2 本構(gòu)方程

應(yīng)變速率與速度變量關(guān)系可寫為：

(3)

本構(gòu)關(guān)系有如下形式：

(4)

式中：κ為時間歷史參數(shù)；M( )為本構(gòu)方程形式。

2.3 應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)不平衡力

FLAC3D由速率來求某一時步的單元應(yīng)變增量，如下式：

(5)

求得應(yīng)變增量，即可由本構(gòu)方程求出應(yīng)力增量，各時步的應(yīng)力增量疊加即可得出總應(yīng)力。

2.4 阻尼力

對于靜態(tài)問題，在式(5)的不平衡力中加入非黏性阻尼，以使系統(tǒng)振動逐漸衰減直至達(dá)到平衡狀態(tài)(即不平衡力接近零)。此時式(5)變?yōu)椋?/p>

(6)

阻尼力為：

(7)

式中：α為阻尼系數(shù)。

(8)

3 初始計(jì)算條件

以馬蹄形隧洞斷面為主要分析對象，對IV類圍巖條件下的隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。圖1為馬蹄形斷面的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。泥質(zhì)板巖各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1，巖體力學(xué)參數(shù)取值根據(jù)表1確定。計(jì)算分析模型選用洞形比選時采用的網(wǎng)格，見圖2。

圖1 馬蹄形隧洞支護(hù)方案

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值

圖2 計(jì)算分析時考慮的IV類圍巖初期支護(hù)措施

4 圍巖穩(wěn)定分析

針對IV類泥質(zhì)板巖300 m埋深洞段進(jìn)行分析。其中，對于毛洞工況，不考慮任何支護(hù)措施。對于錨固支護(hù)工況，初期支護(hù)采用IV類圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，考慮為及時支護(hù)，即僅滯后掌子面2 m施作初期支護(hù)；永久襯砌施作時，考慮多組襯砌滯后掌子面安裝的距離進(jìn)行對比計(jì)算分析，并根據(jù)襯砌受力和配筋確定合適的滯后距離。以下分別從圍巖塑性區(qū)、塑性應(yīng)變指數(shù)、變形、應(yīng)力、錨桿應(yīng)力和襯砌受力等指標(biāo)進(jìn)行分析。

4.1 圍巖塑性區(qū)

圖3為毛洞工況和錨固支護(hù)工況條件下的塑性區(qū)分布對比；表2為洞周各部位圍巖塑性區(qū)深度的對比；表3為洞周圍巖塑性區(qū)的體積?？梢钥闯?，毛洞開挖完成，洞室頂拱、邊墻和底板部位的塑性區(qū)深度分別為3.0、2.7和3.6 m，考慮錨固支護(hù)措施后，洞室頂拱、邊墻和底板部位的塑性區(qū)深度分別為1.8、2.1和3.0 m，分別比毛洞工況下降40%、22%和17%。從塑性區(qū)體積來看，毛洞開挖完成，洞周剪切塑性區(qū)體積為1.94×104m3，拉伸塑性區(qū)體積為0.46×104m3；考慮錨固支護(hù)措施后，洞周剪切塑性區(qū)體積為1.68×104m3，拉伸塑性區(qū)體積為0.37×104m3，分別比毛洞工況減少13%和20%。這表明錨固支護(hù)措施能夠有效減小洞周圍巖的塑性區(qū)分布范圍和塑性區(qū)體積，有利于圍巖穩(wěn)定。

圖3 圍巖塑性區(qū)分布對比

表2 洞周各部位圍巖塑性區(qū)深度

表3 洞周圍巖塑性區(qū)體積

4.2 圍巖塑性應(yīng)變指數(shù)PSI

圖4為圍巖塑性應(yīng)變指數(shù)PSI的對比?？梢钥闯?，考慮錨固支護(hù)后，洞周圍巖開挖面附近的PSI量值比毛洞工況有明顯減小。這表明錨固支護(hù)能夠減輕圍巖的卸荷損傷累積，有利于保障圍巖的穩(wěn)定性。

圖4 圍巖塑性應(yīng)變指數(shù)PSI對比

4.3 圍巖變形

圖5為圍巖變形分布的對比；表4為洞周各部位的圍巖變形對比?？梢钥闯觯紤]錨固支護(hù)后，洞周圍巖各部位的變形均有明顯降低，其中頂拱部位的變形減小39.9%，邊墻部位的變形減小24.2%，底板部位的變形減小17.5%。這表明錨固支護(hù)措施能夠有效限制圍巖的變形量值，降低圍巖發(fā)生變形失穩(wěn)的可能。

圖5 圍巖變形對比

表4 洞周各部位圍巖變形

4.4 圍巖應(yīng)力

圖6為圍巖第一主應(yīng)力對比；圖7為圍巖第三主應(yīng)力對比?？梢钥闯觯紤]錨固支護(hù)措施后，圍巖的第一主應(yīng)力增加較為顯著，壓應(yīng)力增幅在0.7～3.1 MPa；第三主應(yīng)力也由量值很小的壓應(yīng)力變?yōu)檩^顯著的壓應(yīng)力。這表明考慮錨固措施后，有助于提高圍巖的承載性能，改善圍巖的受力狀態(tài)。

圖6 圍巖第一主應(yīng)力對比

圖7 圍巖第三主應(yīng)力對比

5 結(jié) 論

針對IV類泥質(zhì)板巖300 m埋深洞段毛洞、錨固支護(hù)洞身圍巖應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，錨固支護(hù)措施能夠有效減小洞周圍巖的塑性區(qū)分布范圍和塑性區(qū)體積；減輕圍巖的卸荷損傷累積；有效限制圍巖的變形量值，降低圍巖發(fā)生變形失穩(wěn)的可能；有助于提高圍巖的承載性能，改善圍巖的受力狀態(tài)，錨固支護(hù)洞身更有利于保障圍巖的穩(wěn)定性。在施工中，對于埋深大、巖性差、圍巖變形顯著的洞段，應(yīng)根據(jù)圍巖變形的時空特征，在施加常規(guī)錨噴支護(hù)和鋼拱架支護(hù)的基礎(chǔ)上，研究超前支護(hù)的必要性和可行性。建議根據(jù)圍巖變形的程度，預(yù)留一定的圍巖變形余度，防止圍巖變形較過大而侵占隧洞凈空面積。