輸水隧洞穿越節(jié)理破碎巖洞段大變形控制方案比選研究

劉 杰

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程背景

某輸水隧洞穿越FG12斷層洞段存在比較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，巖體主要是片理化玄武巖，巖性比較軟弱，物理力學(xué)性能較差。同時(shí)，巖體中還夾雜多層凝灰?guī)r。由于凝灰?guī)r極易遇水軟化，且部分洞段有地下水滲出，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.12。針對(duì)該洞段的地質(zhì)情況，工程項(xiàng)目部擬采用全斷面超前注漿加固和三臺(tái)階開挖法的施工方案，同時(shí)在施工中做好止水工作，確保開挖施工安全[1]。由于研究洞段圍巖多為片理化玄武巖，容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變形。在進(jìn)行開挖支護(hù)施工時(shí)，結(jié)構(gòu)面大多呈張開狀態(tài)，極易誘發(fā)圍巖大變形，給工程施工安全造成重大威脅[2]。由此可見，采用科學(xué)合理的施工方案，對(duì)研究洞段的圍巖大變形進(jìn)行有效控制，是工程建設(shè)中亟待解決的問題?；诖?，此次研究利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)初選方案進(jìn)行對(duì)比分析，以獲得最佳施工方案。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 初選方案

在地下洞室工程支護(hù)施工方面，目前主要由屈服支護(hù)和阻力支護(hù)兩大基本原則[3]，控制措施也主要有兩個(gè)方面：一是通過注漿、打設(shè)錨桿等方式提高圍巖的自承能力，二是通過增設(shè)套拱、強(qiáng)化拱架設(shè)計(jì)等方式采用合理的支護(hù)體系[4]。鑒于背景工程的圍巖較為破碎，自持能力較差，因此應(yīng)選擇阻力支護(hù)原則，主要采用圍巖加固和加強(qiáng)拱架等措施[5]?；诖?，提出如下圍巖大變形控制方案。

方案1：該方案的初支采用I18鋼拱架和C25噴射混凝土，其厚度為25cm；二次襯砌為C35模筑混凝土，厚度為45cm。鋼拱架的間距為0.8m，錨桿長度為3m，預(yù)留變形量設(shè)定為30cm。

方案2：該方案的初支采用I20鋼拱架和C25噴射混凝土，其厚度為27cm；二次襯砌為C35模筑混凝土，厚度為45cm。鋼拱架的間距為0.6m，錨桿長度為4m，預(yù)留變形量設(shè)定為40cm。

方案3：該方案的初支采用I20鋼拱架和C25噴射混凝土，其厚度為27cm；二次襯砌為C35模筑混凝土，厚度為45cm。鋼拱架的間距為0.6m，邊墻錨桿長度為6.5m，預(yù)留變形量設(shè)定為40cm。

2.2 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)選擇樁號(hào)0+203～0+218洞段作為試驗(yàn)段，每種方案的試驗(yàn)長度為5m。在試驗(yàn)過程中利用不同的儀器設(shè)備對(duì)隧洞的圍巖和支護(hù)體系的受力變形進(jìn)行測(cè)量，了解隧洞在不同控制方案下圍巖和支護(hù)體系的力學(xué)形態(tài)變化，以驗(yàn)證控制方案的科學(xué)性與合理性，以確定最佳施工方案。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，每種方案選擇一個(gè)典型斷面進(jìn)行測(cè)量，3個(gè)典型斷面分別位于0+205.5、0+210.5、0+215.5部位。由于3種方案均為3臺(tái)階開挖工法，因此三種方案均設(shè)置上、中、下臺(tái)階水平收斂線以及拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)[6]。

試驗(yàn)過程中需要對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的應(yīng)力變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此在試驗(yàn)匯中需要埋設(shè)土壓力盒、混凝土應(yīng)變計(jì)，對(duì)3個(gè)測(cè)試斷面的應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。其中，土壓力盒主要用于圍巖壓力的監(jiān)測(cè)；混凝土應(yīng)變計(jì)主要用于襯砌混凝土的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中按照環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法，對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行分步安裝。其中，土壓力盒埋設(shè)過程中，應(yīng)該先清理好測(cè)試位置，使其表面平整，以保證壓力盒受壓面和測(cè)試位置的充分接觸，然后將壓力盒和圍巖接觸面的縫隙中填入水泥砂漿，保證壓力盒面和測(cè)試位置充分接觸。在混凝土應(yīng)變計(jì)安裝過程中，應(yīng)該保證其受力方向和測(cè)試元件的軸線一致，然后緊固螺釘，保證試驗(yàn)過程中器件的穩(wěn)定性，圍巖的位移監(jiān)測(cè)使用多點(diǎn)位移計(jì)[8- 9]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

在方案1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取監(jiān)測(cè)斷面各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，繪制出襯砌各部位的位移變形時(shí)程曲線，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，在隧洞開挖支護(hù)過程中，拱頂豎向位移和水平位移均在中臺(tái)階開挖過程中產(chǎn)生較大的位移，說明中臺(tái)階開挖對(duì)隧洞各監(jiān)測(cè)部位的位移變形量影響較大。從具體的位移量累積結(jié)果來看，方案1的拱頂累計(jì)豎向位移量為167.8mm；上臺(tái)階累計(jì)位移量為322.2mm；中臺(tái)階累計(jì)位移量為591.7mm；下臺(tái)階累計(jì)位移量為315.2mm。由于下套接開挖時(shí)間和仰拱填充之間的間隔過短，因此中臺(tái)階的收斂變形量明顯大于下臺(tái)階，這說明蠕變位移和之間存在較為明顯的正比關(guān)系。同時(shí)，在仰拱填充之后，隧洞各部位的位移變形存在較為明顯的放緩現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)成環(huán)對(duì)位移變形具有減緩作用。此外，在方案1的條件下，仰拱填充使支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)后，各部位的變形均存在一定的放緩現(xiàn)象，但是并沒有出現(xiàn)明顯的收斂，因此該方案對(duì)變形的控制作用不甚理想。

圖1 方案1位移時(shí)程曲線

在方案2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取監(jiān)測(cè)斷面各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，繪制出襯砌各部位的位移變形時(shí)程曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在隧洞開挖支護(hù)過程中，各個(gè)監(jiān)測(cè)部位的均出現(xiàn)較為明顯的位移變形，且變化規(guī)律與方案1基本一致。從具體的位移量累積結(jié)果來看，拱頂累計(jì)豎向位移量為110.7mm；上臺(tái)階累計(jì)位移量為214.6mm；中臺(tái)階累計(jì)位移量為438.8mm；下臺(tái)階累計(jì)位移量為193.9mm。與方案1相比，各關(guān)鍵部位的累計(jì)位移量均有明顯的減小。從過程來看，在下臺(tái)階開挖之后，位移變形開始增大，且仰拱填充后仍沒有明顯的收斂現(xiàn)象。在仰拱填充完成6d之后，各部位的結(jié)構(gòu)變形基本趨于收斂。綜合上述，方案2要優(yōu)于方案1，雖然總體變形量仍較大，但最終能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定收斂，符合施工變形的控制預(yù)期。

圖2 方案2位移時(shí)程曲線

在方案3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取監(jiān)測(cè)斷面各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，繪制出襯砌各部位的位移變形時(shí)程曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，拱頂累計(jì)豎向位移量為98.5mm；上臺(tái)階累計(jì)位移量為167.6mm；中臺(tái)階累計(jì)位移量為271.8mm；下臺(tái)階累計(jì)位移量為151.9mm。與方案2相比，各個(gè)關(guān)鍵部位的累計(jì)位移量又有進(jìn)一步的減小。同時(shí)，在長錨桿施作之后，各個(gè)關(guān)鍵部位均達(dá)到穩(wěn)定的變形收斂，符合施工預(yù)期，在3種方案中具有明顯的額優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)良好的圍巖變形控制效果。

圖3 方案3位移時(shí)程曲線

3.2 襯砌主應(yīng)力

根據(jù)試驗(yàn)中各方案?jìng)€(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取出各個(gè)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力最大值，繪制出如圖4所示的最大主應(yīng)力時(shí)程曲線。由圖4可以看出，支護(hù)方案1的最大主應(yīng)力的變化范圍較大，呈現(xiàn)出顯著的波動(dòng)上升并趨于穩(wěn)定的變化的特征，其最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在第36d，為23.4MPa，之后保持較大值并略有下降。與方案1相比，方案2的最大主應(yīng)力時(shí)程曲線的變化范圍相對(duì)較小，其最大值為17.2MPa，出現(xiàn)在第34d，由于圍巖加固的疊加措施發(fā)揮作用，圍巖應(yīng)力在開挖過程中得到進(jìn)一步緩慢釋放。與方案1和方案2相比，方案3的最大主應(yīng)力時(shí)程曲線變化范圍更小，波動(dòng)也比較平穩(wěn)，其最大值為-6.2MPa，出現(xiàn)為第8d，在仰拱填充后最大主應(yīng)力值大幅減小并趨于收斂。

圖4 各方案最大主應(yīng)力時(shí)程曲線

根據(jù)試驗(yàn)中各方案?jìng)€(gè)測(cè)點(diǎn)的最小主應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取出各個(gè)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的最小主應(yīng)力最大值，繪制出的最小主應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，支護(hù)方案1的最小主應(yīng)力的變化范圍較大，呈現(xiàn)出顯著的明顯的波動(dòng)上升并趨于穩(wěn)定的變化的特征，其最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在第28d，為-67.1MPa，之后保持較大值并略有下降。與方案1相比，方案2的最小主應(yīng)力時(shí)程曲線的變化范圍相對(duì)較小，其最大值為-63.9MPa，出現(xiàn)在第18d，由于圍巖加固的疊加措施發(fā)揮作用，圍巖應(yīng)力在開挖過程中得到進(jìn)一步緩慢釋放。與方案1和方案2相比，方案3的最小主應(yīng)力時(shí)程曲線變化范圍更小，波動(dòng)也比較平穩(wěn)，其最大值為-46.2MPa，出現(xiàn)為第10d，在仰拱填充后最小主應(yīng)力值大幅減小并趨于收斂。從應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，方案1的可以實(shí)現(xiàn)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的有效控制為最佳方案。

圖5 各方案最小主應(yīng)力時(shí)程曲線

4 結(jié)語

穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的地下洞室工程施工中，必須要選擇科學(xué)、合理的開挖支護(hù)工程方案，能保證工程施工的順利進(jìn)行和工程運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。此次研究以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)初選方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，獲得適合背景工程實(shí)際的最佳方案。研究結(jié)果不僅可以為背景工程施工提供技術(shù)支持，保證工程施工的順利進(jìn)行和輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)也可以為相關(guān)類似工程施工研究提供有益的借鑒。當(dāng)然，隨著水利工程建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大變形隧洞新型支護(hù)技術(shù)日漸增多，在今后的研究中，還應(yīng)該側(cè)重于施工新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)建起安全系數(shù)和施工效率更高的新型支護(hù)體系。