軟巖引水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析

曹 宇，陳士銀

(費(fèi)縣許家崖水庫(kù)管理中心，山東 臨沂 273400)

1 概 述

在山嶺隧洞中，軟巖隧洞由于地質(zhì)環(huán)境比較薄弱，是一種極容易變形和開(kāi)裂的隧洞。

目前，關(guān)于軟弱圍巖隧洞的變形研究是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。張興偉、王超[1]基于三維數(shù)值模擬，研究了軟弱隧洞圍巖穩(wěn)定性及地表沉降，結(jié)果表明拱頂沉降隨曲率增大而減小，在曲率為0.5時(shí)趨于穩(wěn)定。此外，當(dāng)土層界限越過(guò)拱底時(shí)，圍巖變形和地表沉降影響較大?？岛２ǖ萚2]綜合采用相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了不同傾角軟弱層隧洞圍巖變形規(guī)律，結(jié)果表明軟弱層傾角對(duì)隧洞圍巖的變形影響極為顯著，圍巖的位移隨傾角的增大而先增大后減小。蒲松等[3]基于顆粒流數(shù)值模擬，研究了白馬隧洞軟弱圍巖掌子面穩(wěn)定性，結(jié)果表明采用錨桿支護(hù)后，圍巖位移量隨隧洞距離增大而增大。袁飛等[4]綜合采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了紅層軟巖隧洞大變形特征規(guī)律，結(jié)果表明圍巖襯砌的施加時(shí)機(jī)對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性有重要的影響。王傳武等基于彈性地基曲梁模型，推導(dǎo)了仰拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力、仰拱地基反力等計(jì)算公式，結(jié)果表明單獨(dú)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)改善仰拱穩(wěn)定性效果并不明顯。王亞鵬依托蘭成鐵路軟巖隧洞，研究了高地應(yīng)力軟巖大變形隧洞的合理支護(hù)技術(shù)，提出采用長(zhǎng)短錨桿相結(jié)合和多層支護(hù)體系的綜合支護(hù)方式。張智博基于數(shù)值模擬，考慮流固耦合作用，研究了富水軟巖隧洞施工圍巖力學(xué)特性，結(jié)果表明考慮流固耦合作用的隧洞圍巖水平位移和豎向位移顯著增大，實(shí)際工程中應(yīng)進(jìn)行修正。應(yīng)華峰等采用數(shù)值模擬，研究了軟巖隧洞超前預(yù)加固布置優(yōu)化方式，結(jié)果表明0.4 bolts/m2是掌子面超前錨桿布置的最佳密度，且支護(hù)結(jié)構(gòu)在掌子面中部進(jìn)行布置對(duì)于隧洞變形控制最優(yōu)。

2 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 工程概況

研究區(qū)隧洞地處軟弱地層，隧洞總長(zhǎng)為1.9 km，左右線均采用圓曲線和平面線設(shè)計(jì)。隧洞地層由上至下分別為新統(tǒng)黃土、新統(tǒng)洪積粉質(zhì)黏土、千枚巖和薄片強(qiáng)度較低的灰軟巖組成。其中，黃土呈褐色，土質(zhì)比較均勻；粉質(zhì)黏土土質(zhì)不均勻，且含有大量的卵碎石；灰軟巖呈薄片狀態(tài)，節(jié)理裂隙發(fā)育，易破碎，巖石強(qiáng)度低。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

研究區(qū)隧洞采用新奧法施工。為系統(tǒng)研究隧洞開(kāi)挖期間隧洞拱頂以及隧洞周邊的變形情況，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)主要包括拱頂沉降和周邊變形及支護(hù)變形等。

監(jiān)測(cè)斷面的選取主要是考慮圍巖級(jí)別和隧洞埋深因素。規(guī)范規(guī)定，對(duì)于IV級(jí)圍巖，且埋深小于15m，監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)包含地表沉降觀測(cè)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)等，且監(jiān)測(cè)斷面沿縱向15～20 m布置；對(duì)于II級(jí)和III級(jí)圍巖，規(guī)定監(jiān)測(cè)斷面間距為30～50 和 20～30 m。

本文所研究的隧洞圍巖一般介于V～I(xiàn)V級(jí)之間，按照規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)斷面設(shè)定為15m間距，具體的監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖1。監(jiān)測(cè)儀器采用精度為0.1mm的水準(zhǔn)儀及相同精度的周邊位移收斂監(jiān)測(cè)儀。

圖1 隧洞地層典型斷面圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 隧洞拱頂沉降

圖2為拱頂位移值在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)的變形情況。結(jié)果表明，隧洞拱頂變形隨時(shí)間的增加而逐漸減小，變形主要發(fā)生在1～5d內(nèi)。這是因?yàn)樵谒矶闯跏奸_(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力釋放和重新分布，從而導(dǎo)致變形較大。此外，由于初期支護(hù)未開(kāi)始發(fā)揮效果，也會(huì)導(dǎo)致在隧洞開(kāi)挖前期出現(xiàn)較大的變形。當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間大于16d后，隧洞拱頂沉降量基本保持不變。

圖3為拱頂下沉速率曲線。結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)斷面在監(jiān)測(cè)的第1d拱頂沉降速率較大，且變化速率也較為迅速，這與圖2結(jié)果一致。當(dāng)掌子面開(kāi)挖6d以后，拱頂沉降速率變化比較緩和。這是因?yàn)樵谑┕み^(guò)程中，為了降低圍巖變形，實(shí)際工程中施加了第二道襯砌支護(hù)?？傮w來(lái)看，隧洞拱頂沉降速率介于0.07～0.15mm/d，表明圍巖基本滿足規(guī)范要求的安全性規(guī)定。

圖2 拱頂位移時(shí)程曲線

圖3 拱頂下沉速率曲線

圖4為拱頂位移時(shí)程曲線。結(jié)果表明，隨著開(kāi)挖面距離的增大，拱頂位移逐漸減小。當(dāng)掌子面開(kāi)挖距離達(dá)到10m時(shí)，拱頂位移顯著減小。當(dāng)掌子面開(kāi)挖距離大于30m時(shí)，開(kāi)挖施工對(duì)拱頂?shù)挠绊懟鞠А４送?，也證明襯砌支護(hù)開(kāi)始發(fā)揮效果。進(jìn)一步對(duì)拱頂位移進(jìn)行擬合得到圖5，結(jié)果表明拱頂位移隨時(shí)間變化滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖4 拱頂位移隨開(kāi)挖面距離關(guān)系

圖5 拱頂位移隨時(shí)間擬合關(guān)系

3.2 隧洞周邊變形

圖6為隧洞周邊位移時(shí)程曲線。結(jié)果表明，周邊位移隨時(shí)間的增大而先迅速增大，隨后趨于平緩。當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間大于6d時(shí)，周邊位移變化趨于平緩。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是在隧洞開(kāi)挖的初始時(shí)刻，由于支護(hù)未形成系統(tǒng)的支護(hù)群，因此支護(hù)效果并不明顯。

圖6 隧洞周邊位移時(shí)程曲線

圖7為周邊位移變化速率隨時(shí)間的關(guān)系。可以看出，當(dāng)掌子面開(kāi)挖至5d后，位移速率明顯減小，表明支護(hù)開(kāi)始發(fā)揮作用。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)隧洞周邊位移速率小于0.6mm/d時(shí)，隧洞圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8為隧洞周邊位移隨開(kāi)挖掌子面的關(guān)系。結(jié)果表明，隧洞周邊位移隨距掌子面的距離增大而增大，但當(dāng)距掌子面距離大于25m時(shí)，周邊位移較小，且變化速率也較小。當(dāng)距掌子面距離小于25m時(shí)，周邊位移顯著增大。尤其是在5m范圍以內(nèi)，周邊位移變化速率最大。這是因?yàn)檠芯克矶刺幱谲浫鯉r層，開(kāi)挖后圍巖自身很難形成自穩(wěn)定的巖圈。當(dāng)施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后，且支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成支護(hù)拱圈時(shí)，位移才有所收斂。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在實(shí)際工程施工中，對(duì)于監(jiān)測(cè)斷面25m以內(nèi)的位移監(jiān)測(cè)要適當(dāng)進(jìn)行加密。對(duì)圖8的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到周邊位移隨時(shí)間擬合關(guān)系曲線，見(jiàn)圖9?？梢园l(fā)現(xiàn)，周邊位移速率與時(shí)間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。進(jìn)一步采用該函數(shù)關(guān)系可以預(yù)測(cè)凈空位移量為488mm。

圖7 周邊位移速率時(shí)程曲線

圖8 周邊位移隨開(kāi)挖掌子面關(guān)系

圖9 周邊位移隨時(shí)間擬合關(guān)系

3.3 圍巖穩(wěn)定性判別經(jīng)驗(yàn)法

由于地下工程地質(zhì)條件通常具有較強(qiáng)復(fù)雜性，實(shí)際中對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的判別存在一定難度，所以一般會(huì)利用判別的經(jīng)驗(yàn)法對(duì)圍巖穩(wěn)定性開(kāi)展精準(zhǔn)性的判定工作。首先是圍巖分類(lèi)法，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，將圍巖工程所在位置含有的地質(zhì)特征和地下水狀態(tài)表現(xiàn)作為依據(jù)，可以對(duì)圍巖穩(wěn)定性作出精準(zhǔn)性判斷。其次為根據(jù)巖體質(zhì)量指標(biāo)開(kāi)展評(píng)估的方法，該方法也被稱(chēng)作RMQ評(píng)估法或者M(jìn)法，該方法所遵循的分類(lèi)原則和依據(jù)都擁有一定的合理性與科學(xué)性，該方法的應(yīng)用需要將地質(zhì)工作作為基礎(chǔ)，明確巖體質(zhì)量所受各方面影響因素，同時(shí)采用合理勘測(cè)手段來(lái)獲取相關(guān)資料，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展各類(lèi)影響因素的綜合性分析，根據(jù)RMQ值便可以準(zhǔn)確判斷巖體的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文基于軟巖隧洞圍巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)受軟弱巖層的影響，掌子面開(kāi)挖范圍6m以內(nèi)，拱頂沉降值和周邊位移值的變化最大，且拱頂位移沉降和周邊位移與時(shí)間的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，利用該擬合曲線可對(duì)隧洞變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2)由于研究隧洞處于軟弱巖層，開(kāi)挖后圍巖自身很難形成自穩(wěn)定的巖圈。當(dāng)施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成支護(hù)拱圈時(shí)，位移會(huì)有所收斂。因此在實(shí)際隧洞施工過(guò)程中，對(duì)于監(jiān)測(cè)斷面25m以內(nèi)的位移監(jiān)測(cè)要適當(dāng)進(jìn)行加密。

3)對(duì)于軟巖區(qū)隧洞，由于隧洞地層的工程性質(zhì)較差，因此隧洞開(kāi)挖后要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。此外，在實(shí)際施工過(guò)程中，要重視現(xiàn)場(chǎng)隧洞變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。