隧洞圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)時(shí)機(jī)分析

陳 特，鄧云瑞，謝道強(qiáng)，項(xiàng) 勛，任旭華

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.山東省濟(jì)南市長清區(qū)萬德鎮(zhèn)水務(wù)局，山東 濟(jì)南 250309；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

在隧洞開挖階段，圍巖應(yīng)力釋放且存在應(yīng)力重分布現(xiàn)象[1-2]。工程實(shí)踐表明，圍巖應(yīng)力調(diào)整和變形過程并非短時(shí)間內(nèi)完成，與隧道設(shè)計(jì)尺寸、工程地質(zhì)條件、開挖方法、支護(hù)時(shí)機(jī)等多因素有關(guān)，因此確定圍巖釋放率是一個(gè)比較棘手的問題。高俊合等[3]對比分析開挖荷載釋放的3種模擬方法——Mana法、單元應(yīng)力內(nèi)插法和位移法，并對Mana法進(jìn)行改進(jìn)，所得計(jì)算結(jié)果精度顯著提高；張傳慶等[4]基于快速拉格朗日法基本原理，討論實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放法的理論依據(jù)；朱彥鵬等[5]采用應(yīng)力釋放法合理模擬黃土隧道的施工過程，分析施工對黃土及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響；常智慧[6]圍繞深埋隧洞展開研究，通過建立開挖荷載釋放率、變形完成率和掌子面超越距離之間的關(guān)系，確定深埋隧洞最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)；胡天明等[7]通過研究不同初期支護(hù)時(shí)機(jī)對圍巖應(yīng)力變形及塑性區(qū)的變化影響，指出支護(hù)時(shí)機(jī)提前會(huì)增加支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，同時(shí)圍巖穩(wěn)定性將顯著提高。

以上研究大多以公路隧洞為主。針對水工隧洞，圍巖整體穩(wěn)定一般依靠初期支護(hù)來維持，二次襯砌主要用于承受運(yùn)行期的內(nèi)外水壓力。鑒此，本文依托某電站右岸尾水隧洞工程，采用荷載釋放法確定尾水隧洞最佳初期支護(hù)時(shí)機(jī)，并依據(jù)此最佳支護(hù)時(shí)機(jī)分析毛洞開挖和噴錨支護(hù)開挖對于隧洞整體應(yīng)力變形和塑性區(qū)擴(kuò)展的影響。

1 計(jì)算原理與方法

1.1 初始地應(yīng)力

地應(yīng)力是各種地下結(jié)構(gòu)開挖施工階段圍巖變形和塑性破壞的原始動(dòng)力，因此合理確定圍巖初始地應(yīng)力場是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析和開挖支護(hù)設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵。本文數(shù)值模擬中，初始地應(yīng)力場只考慮自重和側(cè)向壓力的作用，未考慮地質(zhì)板塊間構(gòu)造作用的影響。地應(yīng)力場基于金尼克假定，即垂直應(yīng)力等于上覆蓋層的質(zhì)量，即

(1)

式中，σv為鉛垂應(yīng)力；σh為水平應(yīng)力；ν為泊松比；H為距自由面鉛直距離。

1.2 開挖模擬

模擬開挖時(shí)，賦予開挖部位空模型并獲取開挖表面節(jié)點(diǎn)力{Ft}k(t表示開挖自由面邊界)，開挖單元全部節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的荷載釋放節(jié)點(diǎn)力向量為[4，8]

(2)

將獲取的節(jié)點(diǎn)力{Ft}k按照不同比例a反向作用于開挖界面原節(jié)點(diǎn)位置，余下的節(jié)點(diǎn)荷載(1-a){Ft}k則由圍巖單獨(dú)承擔(dān)，待模型計(jì)算平衡后，在模型開挖面節(jié)點(diǎn)位置施加反向節(jié)點(diǎn)荷載a{Ft}k，同時(shí)施加相應(yīng)支護(hù)措施并進(jìn)一步求解平衡。

2 有限元計(jì)算數(shù)值模型建立

2.1 工程依托

某水電站位于我國西南地區(qū)金沙江流域，樞紐工程主要由擋(泄)水建筑物、發(fā)電廠房等組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)分布于右岸，包括岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、尾水隧洞、調(diào)壓室、主廠房、母線洞、主變室等。廠址區(qū)山體雄厚，地表基巖裸露，巖體完整性好，根據(jù)廠址區(qū)附近鉆孔和平硐揭露，廠房區(qū)洞室圍巖以厚～巨厚層狀灰?guī)r為主，圍巖類型屬Ⅲ1類，局部節(jié)理密集帶為Ⅲ2類，斷層破碎帶和層間擠壓破碎帶為V類。與輸水發(fā)電建筑物有關(guān)的結(jié)構(gòu)面主要為小斷層、層間擠壓破碎帶等少量III級(jí)結(jié)構(gòu)面、以及節(jié)理裂隙等IV、V級(jí)結(jié)構(gòu)面。地面調(diào)查和勘探揭露，灰?guī)r中層間軟弱夾層不甚發(fā)育。

2.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

本文選取右岸尾水隧洞典型斷面建立有限元計(jì)算模型，模型包括2條內(nèi)徑為20.6 m的圓形斷面隧洞，軸線間距65 m，模型埋深約為300 m。計(jì)算中，取順河向?yàn)閤軸，橫河向?yàn)閥軸，豎直向上為z軸建立笛卡爾坐標(biāo)系，模型單元總計(jì)24 585個(gè)。整體模型見圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

模型整體分3部分開挖(開挖1～3)，隧洞頂拱位置采用中導(dǎo)洞法開挖。有限元計(jì)算采用的材料參數(shù)根據(jù)勘測資料取定，弱風(fēng)化灰?guī)r采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，噴混凝土及襯砌采用彈性本構(gòu)模型。有限元計(jì)算材料參數(shù)見表1。

表1 有限元計(jì)算材料參數(shù)

2.3 計(jì)算假定及測點(diǎn)位置

在確定隧洞最佳支護(hù)時(shí)機(jī)時(shí)，假設(shè)隧洞全斷面一次性開挖。利用FLAC3D內(nèi)嵌的fish語言，采用應(yīng)力釋放法[9]，獲取隧洞開挖后圍巖瞬時(shí)的開挖荷載等效節(jié)點(diǎn)力，根據(jù)荷載系數(shù)將等效節(jié)點(diǎn)力分為10份(每份10%)，并依次施加。本文對隧洞周邊位置設(shè)置多個(gè)測點(diǎn)，以監(jiān)測不同荷載釋放率下測點(diǎn)變形變化趨勢。各監(jiān)測點(diǎn)位置見圖2。

圖2 尾水隧洞典型斷面監(jiān)測點(diǎn)布置

2.4 支護(hù)措施及相關(guān)參數(shù)

依據(jù)設(shè)計(jì)資料初定如下的支護(hù)方案：隧洞頂拱240°和底拱120°分別采用不同支護(hù)措施，初期采用噴混凝土加系統(tǒng)錨桿支護(hù)，后期采用混凝土襯砌支護(hù)。本次模擬中，初期噴混凝土和后期襯砌采用實(shí)體單元模擬，錨桿支護(hù)等采用結(jié)構(gòu)單元模擬。模型具體支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 尾水隧洞支護(hù)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 初次最佳支護(hù)時(shí)機(jī)確定

將隧洞一次性全斷面開挖，模擬開挖荷載分10期進(jìn)行釋放，計(jì)算得到各測點(diǎn)不同開挖釋放率下變形，見表3。

表3 尾水隧洞不同釋放率下的各測點(diǎn)變形 mm

為更加直觀地表征不同測點(diǎn)變形隨荷載釋放率的變化，繪制開挖荷載釋放率-變形增量關(guān)系，見圖3。通過曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的荷載釋放率確定圍巖初期支護(hù)最佳時(shí)機(jī)。從圖3可知，對于尾水隧洞段，隨著荷載釋放率的提高，不同測點(diǎn)的變形均有所增加，當(dāng)開挖荷載釋放率小于70%時(shí)，圍巖變形大致呈現(xiàn)隨著開挖荷載釋放率線性變化，變形增量幾近不變；當(dāng)荷載釋放率達(dá)到70%以后，不同測點(diǎn)的圍巖變形增量顯著的提升。綜上可知，圍巖釋放率在70%左右施加初期支護(hù)，對于發(fā)揮圍巖自承能力以及保證圍巖和初期支護(hù)的穩(wěn)定性較為有利。因此，本文選取釋放率為70%作為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。

圖3 不同開挖荷載釋放率下特征點(diǎn)圍巖變形增量

3.2 圍巖穩(wěn)定性分析

本文分別計(jì)算毛洞開挖和噴錨支護(hù)開挖2種工況。在噴錨支護(hù)中，每開挖一步進(jìn)行圍巖應(yīng)力釋放分析并施加初期支護(hù)，待斷面開挖完成后，初期支護(hù)施加完畢，進(jìn)行二次混凝土襯砌施工。

3.2.1 圍巖變形

尾水隧洞圍巖變形結(jié)果見表4。從表4可知，毛洞開挖與施加噴錨支護(hù)措施后洞室開挖呈現(xiàn)的整體規(guī)律大致相同，均表現(xiàn)為頂拱沉降，底拱隆起，洞室向洞內(nèi)變形；隨著開挖進(jìn)程，隧洞洞頂沉降值逐步增大并最終趨于穩(wěn)定，隧洞底部隆起逐步減小。裸洞開挖頂拱最大沉降值為21.55 mm，底拱最大隆起達(dá)到17.77 mm；經(jīng)噴錨支護(hù)后，洞室開挖階段最大隆起、沉降變形分別為16.61 mm和19.99 mm，相較于毛洞開挖對應(yīng)值分別減小了4.6%和17.7%。由此可見，噴錨支護(hù)能有效改善圍巖整體變形。

表4 不同工況各開挖階段隧洞圍巖變形 mm

3.2.2 圍巖應(yīng)力

圍巖最大主壓應(yīng)力見圖4。從圖4可知，隨著洞室開挖進(jìn)程，洞室周邊局部范圍巖體擾動(dòng)，呈現(xiàn)圍巖應(yīng)力重分布現(xiàn)象。由于圍巖應(yīng)力釋放，在洞周出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力區(qū)。第1步開挖結(jié)束，毛洞和噴錨支護(hù)洞室最大主壓應(yīng)力均出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置，最大值分別為26.7 MPa和22.98 MPa，拱頂和拱底主壓應(yīng)力值較??；隨著后續(xù)開挖步的進(jìn)行，最大壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移至隧洞左右兩側(cè)中部圍巖處，且呈紡錘體狀分布，整體應(yīng)力分布符合洞室開挖一般規(guī)律，相較于毛洞開挖，施加噴錨支護(hù)后圍巖整體最大主壓應(yīng)力均有所降低。

圖4 圍巖最大主壓應(yīng)力(單位：kPa)

3.2.3 塑性區(qū)

開挖過程中，圍巖塑性破壞形式主要以剪切破壞為主。最終圍巖塑性破壞區(qū)分布見圖5。從圖5可知，塑性破壞區(qū)主要集中于洞周兩側(cè)部位，洞室拱頂及拱底位置塑性區(qū)較小，塑性區(qū)整體分布規(guī)律與最大主壓應(yīng)力分布大致對應(yīng)。施加噴錨支護(hù)后圍巖塑性區(qū)范圍有一定的降低，且塑性區(qū)最大擴(kuò)展深度約為3 m，小于錨桿的長度9 m。

圖5 最終圍巖塑性破壞區(qū)分布

4 結(jié) 語

本文以圍巖特征點(diǎn)變形量為量化指標(biāo)，采用荷載釋放率法確定某電站尾水隧洞最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，并基于此最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，對該隧洞進(jìn)行毛洞開挖和噴錨支護(hù)開挖后圍巖整體穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

(1)洞室開挖過程洞周應(yīng)力釋放，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重分布。為保證圍巖整體穩(wěn)定，同時(shí)考慮支護(hù)成本和施工工期等多因素，合理支護(hù)時(shí)機(jī)確定至關(guān)重要。

(2)隨著圍巖荷載釋放率的增加，洞室最大變形量也有所增加。當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放率達(dá)到70%時(shí)，測點(diǎn)變形增量顯著增加。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，圍巖應(yīng)力釋放在70%～80%期間為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。

(3)毛洞開挖圍巖整體穩(wěn)定性較差，施加噴錨支護(hù)能有效降低圍巖變形和塑性區(qū)擴(kuò)展深度，改善圍巖整體應(yīng)力分布。