引水隧洞突涌段變形特征及控制關(guān)鍵技術(shù)研究

郝俊鎖

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

滇中引水工程是國務(wù)院批準(zhǔn)、國家發(fā)展改革委和水利部確定的172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程中的標(biāo)志性工程。一期輸水工程長664 km，隧洞58座共計(jì)612 km。工程具有深埋隧洞分布廣、穿越破碎斷層多等“十大世界級(jí)技術(shù)難題”。地質(zhì)問題一直是亟需解決的工程難題。隧洞突涌處治、二次開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高，注漿加固地層的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性倍受關(guān)注。

很多學(xué)者對(duì)不同地質(zhì)條件或不同施工工況下圍巖－支護(hù)變形及受力特性做了大量的理論分析、現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)字模擬研究。例如，梁中勇[1]等對(duì)支護(hù)2種結(jié)構(gòu)型式鋼架受力進(jìn)行了理論分析和有限元模擬計(jì)算。仇文革、陳濤等[2－3]分別針對(duì)黃土、軟弱破碎圍巖等隧道支護(hù)圍巖壓力、鋼架內(nèi)力進(jìn)行了現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)分析。郭亞斌[4]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)泥質(zhì)頁巖偏壓段的圍巖變形、圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行研究，探討支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征。馮春萌[5]等通過MIDAS GTS NX建立有限元模型，在隧道循環(huán)進(jìn)尺開挖動(dòng)態(tài)過程的基礎(chǔ)上分析初支型鋼拱架的受力及變形特征。

目前，對(duì)于突涌洞段特殊地質(zhì)條件下圍巖－支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力特征研究深度不足。這類特殊地質(zhì)易發(fā)生變形失穩(wěn)等次生災(zāi)害，施工過程和后期運(yùn)營管理均需進(jìn)行安全監(jiān)控。以獅子山隧洞穿越烏龍壩向斜構(gòu)造P2β3玄武巖地層突水突泥段施工為例，基于現(xiàn)場安全監(jiān)測和施工工況分析突涌段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形特征，進(jìn)一步探討突涌洞段災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)，為預(yù)防該洞段圍巖－支護(hù)體系失穩(wěn)提供技術(shù)支撐。

2 工程概況

2.1 突涌段地質(zhì)概況

獅子山隧洞位于賓川縣境內(nèi)，全長29.420 km。突涌段位于烏龍壩向斜構(gòu)造核部轉(zhuǎn)折部，埋深約533 m。開挖揭示DLII30＋750～DLII30＋695段為P2β3致密狀玄武巖夾凝灰?guī)r條帶。其中，DLII30＋735～DLII30＋720段為蝕變凝灰?guī)r條帶。

2.2 支護(hù)方案

DLII30＋747～DLII30＋695段支護(hù)參數(shù)按VR05型設(shè)置，如圖1所示。其中，DLII30＋747～DLII30＋717段采取全斷面帷幕超前預(yù)固結(jié)灌漿，頂拱注漿擴(kuò)散范圍為5 m。在DLII30＋747頂拱180°范圍按＠30 cm、長L＝30 m施作?108大管棚。

圖1 VR05型初期支護(hù)(單位:mm)

3 突涌段現(xiàn)場監(jiān)測

針對(duì)深埋突泥突水洞段，原圍巖結(jié)構(gòu)體系破壞，采取帷幕注漿等措施在隧洞四周形成一定厚度的固結(jié)體。因此，地層條件極其復(fù)雜，圍巖力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的不確定性。該洞段采取VR05型支護(hù)體系失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)極高，在施作永久襯砌前需進(jìn)行安全監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測方案

現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容包括:異常情況觀測、圍巖－支護(hù)變形監(jiān)控量測、涌水量和鋼架受力監(jiān)測等。

3.2 監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置

(1)拱頂沉降、水平收斂測點(diǎn)布置

從DLII30＋747開始按照5 m一個(gè)監(jiān)測斷面進(jìn)行布置，監(jiān)測斷面點(diǎn)位布置如圖2a所示。

圖2 監(jiān)測斷面測點(diǎn)布置

(2)鋼架受力測點(diǎn)布置

在DLII30＋735斷面第二層鋼架安裝時(shí)，在拱頂、拱肩和拱腰處內(nèi)外設(shè)置鋼筋應(yīng)變計(jì)，如圖2b所示。

4 隧洞突涌段變形與受力特征分析

4.1 隧洞施工工況

DLII30＋746.4～DLII30＋710.4段采取預(yù)留核心土臺(tái)階開挖法，如圖3所示。開挖分上、中、下、底板四個(gè)臺(tái)階，上中下臺(tái)階采用微臺(tái)階法施工。在高7.8 m上半斷面拱墻支護(hù)完成后，設(shè)置第二層鋼架支撐和臨時(shí)橫撐。

圖3 四臺(tái)階開挖示意(單位:mm)

4.2 突涌段圍巖－支護(hù)變形分析

DLII30＋735拱頂A累計(jì)沉降17.4 mm；BC累計(jì)收斂106.6 mm；DE累計(jì)收斂98.1mm。收斂－時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 DLII30＋735斷面累計(jì)收斂—時(shí)間關(guān)系

由表1和圖4分析可知:(1)拱頂下沉小，達(dá)到預(yù)留值的17%左右；拱肩、拱腰水平收斂大，達(dá)到預(yù)留值的100%左右。(2)采用臺(tái)階法施工時(shí)，拱頂沉降與水平收斂均發(fā)生突變。(3)拱頂沉降、拱肩BC線水平收斂主要發(fā)生在隧洞三臺(tái)階開挖過程，沉降10.7 mm，占累計(jì)值的61%；水平收斂69.2 mm，占累計(jì)值的64%。監(jiān)測期間變形速率≥1 mm/d，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。(4)拱腰DE線最大變形速率達(dá)18.3 mm/d，變形量為82.8 mm，占累計(jì)值的84%。監(jiān)測期間變形速率≥1 mm/d，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。(5)增設(shè)雙層鋼架＋臨時(shí)橫撐后，拱頂下沉、水平變形短時(shí)間趨于穩(wěn)定。(6)拆除臨時(shí)橫撐，底板開挖支護(hù)發(fā)生變形，該階段下沉和水平收斂變形量分別為1.9 mm和10.1 mm、12.7 mm，變形量和變形速率不大且很快趨于穩(wěn)定。

表1 DLII30＋736.4～DLII30＋735.4隧洞施工工況

4.3 鋼架受力分析

現(xiàn)場對(duì)DLII30＋735處第二層鋼架支撐受力監(jiān)測成果如圖5所示。

圖5 DL30＋735處第二層鋼架受力隨時(shí)間變化曲線

由表1和圖5可知:(1)第二層鋼架＋橫撐架立后，鋼拱架應(yīng)力緩慢增長且變化值不大，應(yīng)力分布不均勻。(2)拆除臨時(shí)橫撐底板施工，鋼架有明顯的卸荷現(xiàn)象。(3)拱頂外側(cè)受拉，其他部位最終受力狀態(tài)均為受壓。(4)拱頂外側(cè)測試最大壓應(yīng)力為174.83 MPa，左拱肩最大拉應(yīng)力為427.64 MPa。

5 突涌段施工變形控制關(guān)鍵技術(shù)

5.1 突涌洞段設(shè)置大管棚的必要性

查閱資料[6－7]，軟弱松散不穩(wěn)定地層拱部圍巖壓力大。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與理論認(rèn)識(shí)不同，表現(xiàn)為拱部圍巖具有很好的自穩(wěn)和承載性，說明超前預(yù)支護(hù)管棚結(jié)構(gòu)起到承擔(dān)圍巖荷載、分散圍巖壓力的作用。

施工過程中，隧洞圍巖破壞主要取決于巖體強(qiáng)度和抗剪性，固結(jié)體呈以注漿孔為中心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖6)，其強(qiáng)度和抗剪能力較低。查閱資料[8－9]，采用等效剛度原理對(duì)固結(jié)體＋管棚復(fù)合模量進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算E＝3 895 MPa，較固結(jié)體剛度提高約13倍。

圖6 突涌體注漿固結(jié)效果(酚酞試劑)

式中:E為固結(jié)體＋管棚復(fù)合模量，MPa；Es為管棚結(jié)構(gòu)彈性模量，取59 200 MPa；Ss為管棚截面積，m2；Ec為固結(jié)體模量，取300 MPa；Sc為固結(jié)體截面積，m2；S為結(jié)構(gòu)總面積，m2。

固結(jié)體厚度按管棚注漿有效擴(kuò)散范圍，取50 cm。

5.2 開挖方法與變形控制

5.2.1 突涌洞段極限位移

(1)理論分析

深埋隧洞突涌洞段存在地層受擾動(dòng)范圍廣、注漿加固厚度小，結(jié)構(gòu)軟弱、受力復(fù)雜，具有大變形風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)。深埋軟巖通過位移來釋放一部分應(yīng)力，需要有相對(duì)極值較大的位移量；但從固結(jié)圈結(jié)構(gòu)安全考慮，要求變形應(yīng)盡量小。這兩方面要求具有矛盾統(tǒng)一性。因此，確定該特殊地質(zhì)體的不同施工階段位移控制基準(zhǔn)是施工順利與否的關(guān)鍵。突涌洞段施工步驟如圖3所示，每步開挖進(jìn)尺0.5 m，以突變理論作為隧洞失穩(wěn)的判據(jù)[10－11]。式(2)作為圍巖突變失穩(wěn)的判據(jù)，當(dāng)Δ<0時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Δ＝0時(shí)，系統(tǒng)處于臨界平衡狀態(tài)；當(dāng)Δ>0時(shí)，系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。

通過理論分析計(jì)算，上、中、下、底板四個(gè)臺(tái)階極限位移分別為30、40、60、20 mm。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)圍巖及支護(hù)體系穩(wěn)定性的重要手段是現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)施工實(shí)測位移u與極限位移uo建立判別準(zhǔn)則，即uuo時(shí)，隧洞不穩(wěn)定。由圖4可知，隧洞突涌洞段采取VR05型支護(hù)體系存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，是以經(jīng)驗(yàn)確定的預(yù)留變形量uo＝100 mm為判斷依據(jù)?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測水平收斂超過或達(dá)到預(yù)設(shè)值，觀察支護(hù)體系未發(fā)現(xiàn)噴射混凝土開裂、鋼架扭曲等現(xiàn)象。因此，該洞段實(shí)際uo≥100 mm，但從施工安全角度考慮，施工過程應(yīng)按預(yù)設(shè)值進(jìn)行控制，且當(dāng)達(dá)到其2/3時(shí)，應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

由于隧洞工程是一個(gè)高度復(fù)雜的不確定系統(tǒng)，主要表現(xiàn)圍巖載荷的復(fù)雜性、圍巖破壞模式、變形破壞的時(shí)空演化特點(diǎn)、變形控制標(biāo)準(zhǔn)等的不同。因此，極限位移是施工過程圍巖－支護(hù)體系穩(wěn)定性判斷的依據(jù)之一。針對(duì)不良或特殊地質(zhì)洞段還需要進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測，及時(shí)施作永久襯砌或?qū)Σ荒芗皶r(shí)襯砌洞段采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

5.2.2 突涌洞段施工優(yōu)化措施

由表1和監(jiān)控量測結(jié)果可知，現(xiàn)場施工過程支護(hù)未及時(shí)閉合成環(huán)、三臺(tái)階長度過長、分幅分部開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)大等是變形難以控制的主要影響因素，需采取如下措施:(1)按“快挖、快支、快封閉”的原則組織施工；(2)按3 m左右控制各級(jí)臺(tái)階長度；(3)預(yù)留核心土；(4)設(shè)置多組鎖腳錨管，分幅開挖優(yōu)化為同步開挖；(5)設(shè)置臨時(shí)橫撐，控制拆除時(shí)機(jī)。

5.3 雙層支護(hù)體系

(1)從圍巖－支護(hù)穩(wěn)定性判識(shí)

通過現(xiàn)場監(jiān)控量測可知，突涌洞段變形主要發(fā)生在第三臺(tái)階開挖至第二層鋼支撐＋臨時(shí)橫撐施作期間。拱墻按VR05型施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)在未閉合成環(huán)的工況下，30 d的監(jiān)控量測結(jié)果顯示:拱部下沉速率由3.1 mm/d逐漸降至0.2 mm/d，趨于穩(wěn)定；拱肩BC線變形速率由9.7 mm/d逐漸降至0.3 mm/d，拱腰DE線由13.1 mm/d降至0.4 mm/d，圍巖－支護(hù)體系未趨于穩(wěn)定，顯示第一層支護(hù)剛度不足。

該洞段初期支護(hù)要有足夠的強(qiáng)度抑制變形，單層拱架的強(qiáng)度、剛度不足以保證結(jié)構(gòu)安全和施工安全[12]。因此，DLII30＋740～DLII30＋725段增設(shè)第二層鋼支撐，如圖7所示。

圖7 第二層鋼架支撐施工

(2)雙層鋼架的支撐作用

初期支護(hù)受力體現(xiàn)施工過程相關(guān)性，最小安全系數(shù)的量值分布呈現(xiàn)“第二次初期支護(hù)>第1次初期支護(hù)>臨時(shí)支護(hù)”的規(guī)律[13]。為驗(yàn)證突涌洞段第二層型鋼鋼架的支撐作用，現(xiàn)場對(duì)鋼拱架進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。分析可知，第二層型鋼鋼架＋臨時(shí)橫撐施作后，鋼拱架應(yīng)力緩慢增長并趨于穩(wěn)定，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度提高，鋼架受力逐漸穩(wěn)定，施工安全性也得以提高。

6 結(jié)束語

本文基于現(xiàn)場對(duì)深埋引水隧洞突泥突水洞段圍巖變形監(jiān)測和第二層鋼支撐受力監(jiān)測，結(jié)合施工工況分析注漿加固地層圍巖－支護(hù)的變形與受力特征，主要得出以下結(jié)論:

(1)深埋突涌洞段支護(hù)結(jié)構(gòu)體系為主要承載結(jié)構(gòu)。固結(jié)圈具有一定的承載能力，但其自穩(wěn)能力差；深層圍巖自穩(wěn)性及荷載作用尚不明確。

(2)隧洞突涌洞段圍巖－支護(hù)變形體現(xiàn)施工過程相關(guān)性，拱頂下沉小，拱肩、拱腰水平收斂大。

(3)雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度高，承載能力明顯提高，閉合成環(huán)支護(hù)體系應(yīng)力分配更合理，快速形成新的平衡。

(4)通過預(yù)設(shè)超前注漿大管棚、控制微臺(tái)階法各階段開挖臺(tái)階長度、合理確定極限變形值以及設(shè)置雙層拱架支護(hù)等技術(shù)措施可有效控制隧洞突涌洞段圍巖－支護(hù)體系變形。