新疆某深埋硬巖引水隧洞圍巖收斂變形特性分析

李 劍

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 83000)

20世紀80年代以來，我國的水利、公路隧道工程技術取得突飛猛進的發(fā)展，并多采用新奧法(NATM)[1]理論作為基礎結構設計和施工指導。在爆破開挖完成后，及時在開挖面附近施作緊貼圍巖的薄層噴射混凝土及錨桿、網(wǎng)片等支護措施，通過調節(jié)支撐圍巖的變形和應力釋放，使得在支護和圍巖的共同變形過程中，圍巖應力二次分布達到新平衡，在最大限度保持圍巖的原有強度的同時還能充分利用其自承能力。新奧法作為一個具體應用巖體動態(tài)性質的完整力學方法，在噴錨支護的同時，按設計及規(guī)范要求布置監(jiān)控量測斷面，及時掌握圍巖收斂變形穩(wěn)定情況，故通常認為新奧法由噴射混凝土、錨桿支護及監(jiān)控量測三大要素組成。

硐室圍巖的輪廓可界定為因硐室開挖引起的應力變化忽略不計的范圍，亦或是因硐室開挖而引起的位移變化剛好為零的位置。隧道開挖中，周邊圍巖及支護發(fā)生位移，該位移是圍巖應力應變和支護共同作用變化的結果。利用已開挖洞室收斂變形量測數(shù)據(jù)，通過建立隧道的收斂變形數(shù)值模型來研究圍巖變形規(guī)律已有很多學者進行研究。陳柳、李松磊[2]等對某硬巖隧道收斂變形數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，擬合分析隧道圍巖收斂變形與開挖時間的關系。贠永鋒、唐格[3]對收斂變形數(shù)值進行回歸分析及特性參數(shù)反演，能夠快速、準確的對隧道圍巖穩(wěn)定性做出合理評價，同時還對未開挖隧道在開挖支護后圍巖的穩(wěn)定性做出預測。硐室變形監(jiān)控量測可以幫助工程技術人員及時準確判斷隧洞圍巖的穩(wěn)定性，并預測隧洞可能出現(xiàn)的危險，對于工程地質條件較復雜的硐室，更能及時起到硐室穩(wěn)定預警作用。掌握隧洞施工中收斂變形達到穩(wěn)定時的累計變形及收斂變形規(guī)律，為隧道設計及支護施工，提供預留變形量及二次襯砌時間等重要參數(shù)，保證隧洞的正常使用。本文通過對某地下輸水隧洞工程不同類別堅硬巖收斂變形監(jiān)測，結合開挖具體數(shù)據(jù)比對分析，探討該工程不同類別圍巖收斂變形特性，為設計施工提供參考。

1 工程概況

該段隧道位主要位于新疆昌吉轄境內北側山前區(qū)域，選取標段全長約5.5km，設計樁號80+295—85+795，標段內地表多為低山地貌，地形起伏不大，巖性主要以下石炭統(tǒng)凝灰質砂巖、凝灰角礫巖為主，局部夾少量凝灰質粉砂巖，多為厚層狀-巨厚層狀結構，樁號84+520.307附近為背斜構造的核部，背斜的西翼巖層產狀為：270°～320°SW∠60°～80°，與洞軸線夾角30°～50°，東翼巖層產狀為35°～50°SE∠40°～60°，與洞軸線夾角40°～50°，沿洞線方向越靠近背斜核部，巖層傾角越陡。巖石大多屬堅硬巖，飽和抗壓強度75～130MPa，巖石中石英含量一般<5%。隧道埋深一般163～200m，多處于新鮮、完整、堅硬基巖內，主要為Ⅲ類圍巖，局部存在Ⅳ、Ⅴ類圍巖。該段輸水隧洞為馬蹄形斷面，設計尺寸5.3m×4.9m(Ⅲa)、6.1m×5.65m(Ⅲb)及6.3m×6.85m(Ⅳ)等三類對應不同圍巖類別的開挖斷面，均為中等斷面硐室。

2 收斂變形監(jiān)控量測

2.1 監(jiān)測量測斷面布置

該深埋硬巖引水隧洞采用普通鉆爆法施工，每次爆破開挖后，在地質素描中記錄圍巖工程地質狀況，包括巖性、巖層產狀、裂隙及地下水發(fā)育情況及一次支護情況。

收斂斷面布置按照SL 275—2016《水利水電工程安全監(jiān)測設計規(guī)范》[4]要求，Ⅲ類圍巖監(jiān)測間距<50m，Ⅳ類圍巖監(jiān)測斷面布置間距<40m，布置監(jiān)測斷面如圖1所示，以5點法布置監(jiān)測斷面，按照SL378—2007規(guī)范[5]要求，監(jiān)測斷面應布置于距掌子面1～2m處，盡量保證能測得初始變形量，為硐室圍巖最大變形量量測提供準確數(shù)據(jù)，同時考慮施工開挖影響，距掌子面過近距離布置時，后續(xù)爆破開挖往往會將布置測點破壞，故本工程監(jiān)測斷面布置一般距掌子面1.5～3m，監(jiān)測儀器采用JSS30A型數(shù)顯收斂計為主，全站儀輔助監(jiān)控量測，精度能達到0.01mm。

圖1 收劍變形監(jiān)測斷面布置圖

2.2 收斂變形數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計

本文根據(jù)研究需要，選取BC測線水平收斂值及拱頂Z沉降值作為研究數(shù)據(jù)。因量測數(shù)據(jù)較多，受篇幅限制，本文僅選取82+570，、82+670、82+770及82+830四處斷面量測數(shù)據(jù)進行分析。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)見表1—2。因各斷面收斂變形數(shù)據(jù)均為施工中測得，實際施工往往難以做到較勻速開挖，故各斷面量測時間間隔個別差異較大。

表1 82+570處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計表

3 數(shù)據(jù)分析

隧道圍巖變形一般認為是“時、空間效應”共同作用的結果。地下洞室開挖前，巖體處于應力平衡狀態(tài)，開挖后硐壁巖體失去支撐，原受力平衡狀態(tài)被打破，圍巖逐步向硐壁內側發(fā)生蠕變位移，最終硐壁周圍一定范圍內的巖體應力形成新的平衡狀態(tài)，稱為重分布應力或二次應力。施工開挖中，距離掌子面較近時，空間效應往往起主要作用，在開挖停止或距掌子面足夠距離后圍巖的蠕變起主要作用[6]，即時間效應占主導。本文利用EXCEL軟件來擬合選取隧洞工程圍巖變形量與時間的關系，施工中因每日開挖量差異性較大，故對掌子面推進距離與收斂變形穩(wěn)定未做詳細分析。利用EXCEL軟件繪制處上述表中收斂量、沉降量及收斂速率、沉降速率與觀測天數(shù)之間的關系曲線見圖2—9所示。

圖2 82+570圍巖收斂及沉降量與時間的關系曲線

表2 82+670處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計表

表3 82+770處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計表

根據(jù)SL 378—2007《水工建筑物地下工程開挖施工規(guī)范》，圍巖穩(wěn)定的基本判據(jù)為：

(1)變形總量已完成允許變形量的90%，其中允許變形量的取值參考GB 50086—2005[7]中表7.3.10的規(guī)定。

(2)變形速率明顯下降，收斂變形速率小于0.2mm/d，頂拱沉降變形速率小于0.15mm/d。

3.1 統(tǒng)計分析

本工程段引水隧洞開挖斷面分為5.3m×4.9m(Ⅲa)、6.1m×5.65m(Ⅲb)及6.3m×5.85m(Ⅳ)

表4 82+830處水平收斂變形及沉降值統(tǒng)計表

圖3 82+570圍巖收斂速率及沉降速率與時間的關系曲線

圖4 82+670圍巖收斂及沉降量與時間的關系曲線圖

圖5 82+670圍巖收斂速率及沉降速率與時間的關系曲線圖

三類馬蹄形斷面，據(jù)工程特性參考相關規(guī)范可知其允許最大變形量范圍10.68～26.7mm。根據(jù)前述圖表中曲線關系，結合未列舉的斷面量測數(shù)據(jù)，通過圍巖水平收斂及拱頂沉降趨于穩(wěn)定時的量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，綜合施工開挖中因監(jiān)測斷面距掌子面較近時，高頻次爆破開挖對圍巖水平收斂情況的影響[9]，可得：①對于Ⅲ類圍巖，開挖后一般12～19d內收斂變形值滿足規(guī)范要求，此時認為圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，水平收斂量測值累計5.0～7.5mm，此數(shù)據(jù)初期收斂變形值可能少量缺失，故實際收斂變形值多大于此范圍值；②對于Ⅳ類圍巖，開挖后往往需要19～23d，收斂量測值滿足規(guī)范關于圍巖基本穩(wěn)定的判定要求，累計收斂值7.4～10.4mm；③對于Ⅲ類圍巖，開挖后一般13～18d內拱頂沉降滿足規(guī)范要求圍巖穩(wěn)定判定依據(jù)值，累計沉降值多為5.0～6.9mm；④對于Ⅳ類圍巖，開挖后往往15～30d內沉降量測值滿足規(guī)范要求圍巖穩(wěn)定判定依據(jù)，個別需要36d，累計沉降值多為7.6～12.6；⑤水平收斂變形特點一般符合表5的規(guī)定，根據(jù)表1—4量測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出本段隧洞圍巖收斂在開挖后2～3d內變形較為急劇，考慮監(jiān)測斷面布置一般滯后于開挖1～1.5d，故實際急劇變形階段一般為開挖后3～4.5d內，此時監(jiān)測斷面通常距掌子面2～3倍洞徑[10]，且一般Ⅲ類圍巖斷面急劇變形時間要晚于Ⅳ類圍巖斷面1d左右，此后變形進入緩慢變形階段，最終在10～15d內達到穩(wěn)定階段；⑥對于拱頂沉降值，其急劇變形階段基本與水平收斂情況一一致，開挖后3～4.5d內收斂變形較急劇，之后變化趨勢基本與收斂一致；⑦不同類別圍巖收斂對比，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：Ⅲ圍巖水平收斂基本穩(wěn)定所需時間與拱頂沉降穩(wěn)定基本一致，而Ⅳ類圍巖拱頂沉降基本穩(wěn)定時間一般滯后于水平收斂穩(wěn)定2～5d。

圖6 82+770圍巖收斂及沉降值與時間的關系曲線圖

圖7 82+770圍巖收斂速率及沉降速率與時間的關系曲

圖8 82+770圍巖收斂及Z沉降值與時間的關系曲線圖

圖9 82+770圍巖收斂速率及沉降速率與時間的關系曲線

表5 圍巖穩(wěn)定判定依據(jù) 單位：mm

3.2 數(shù)據(jù)回歸分析

隧洞開挖變形監(jiān)控量測的常用動態(tài)預測方程為U=alnt+b，其中U為收斂位移，t為時間(d)，a、b為擬合常數(shù)，可以通過帶入各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)求得。利用EXCEL軟件對BC測線位移收斂量、拱頂沉降量與時間的相關性進行擬合，擬合函數(shù)曲線的類型選擇原則是相關系數(shù)R2最大的函數(shù)為最優(yōu)函數(shù)，相關系數(shù)越接近1，其相關程度越高。入各個斷面的量測數(shù)據(jù)，可得上述4個斷面的收斂及沉降回歸方程見表6。

通過表6不難看出，對于Ⅲ類圍巖，82+670斷面，水平收斂相關系數(shù)R2=0.980，拱頂Z沉降值擬合方程相關系數(shù)R2=0.980，二者相關性均較好，故選取此斷面回歸方程；對于Ⅳ類圍巖，82+770斷面收斂擬合方程相關系數(shù)R2=0.986，拱頂Z沉降擬合相關系數(shù)R2=0.991，二者相關性均最優(yōu)，故選取此斷面擬合方程。由于上述函數(shù)均為不收斂函數(shù)，參考3.1統(tǒng)計分析規(guī)律，結合變化曲線圖，對于BC線水平收斂，選取(0，20)為水平收斂擬合函數(shù)時間取值范圍，對于Z沉降，選取(0，30)為拱頂沉降時間取值范圍。即Ⅲ類圍巖：①y=1.7964lnx+1.2738(BC)；②y=1.9346lnx+0.6787(Z沉降)；即Ⅳ類圍巖；③2.8098lnx+0.5227(BC)；④y=2.9884lnx+0.1965(Z沉降)。對于函數(shù)①，du/dx=1.796/x，根據(jù)相關規(guī)范其值≤0.2時圍巖趨于穩(wěn)定，此時觀測時間為8.98d。對于函數(shù)②，du/dx=1.935/x，根據(jù)相關規(guī)范其值≤0.15時圍巖趨于穩(wěn)定，此時觀測時間為12.9d。同理可得對于函數(shù)③及④，其圍巖趨于穩(wěn)定時觀測時間分別為14.2d和19.92d，符合3.1中的統(tǒng)計分析規(guī)律

表6 各斷面收斂及沉降回歸方程

4 結語

(1)在堅硬巖中，變形收斂較為迅速，圍巖越完整，硐室變形收斂趨于穩(wěn)定所需時間越短。收斂及沉降變形一般在開挖后3d內較為急劇，后期逐漸變緩慢，直至穩(wěn)定。

(2)Ⅲ類圍巖水平收斂一般在12～13d內穩(wěn)定，累計收斂值通常5.0～7.5mm。Ⅳ類圍巖略晚于前者，一般需15～20d內趨于穩(wěn)定，其累計收斂值略大于前者，多為7.4～10.4mm。Ⅲ類收斂變形與沉降達到穩(wěn)定所需時間相近，穩(wěn)定值亦相近，Ⅳ類沉降穩(wěn)定時間要遲于水平收斂穩(wěn)定，且沉降值略大于收斂值。

(3)通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及擬合，建議本文Ⅲ、Ⅳ類圍巖引水隧洞設計預留開挖變形量宜為單側5～8mm。