巖溶區(qū)域深埋隧洞施工開挖圍巖穩(wěn)定分析

黃宇強(qiáng)，傅興安，龔仁煌

(1.深圳市水務(wù)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣東 深圳 518000； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；3.武漢大學(xué)水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

1 工程背景

1.1 工程概況

公明水庫(kù)—清林徑水庫(kù)連通工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內(nèi)配套項(xiàng)目之一，是深圳市骨干水網(wǎng)重要組成部分。該連通隧洞途經(jīng)神仙嶺段，該隧洞段巖溶地質(zhì)發(fā)育，其圍巖穩(wěn)定等問(wèn)題突出[1]。其中，隧洞樁號(hào)GK31+810.43斷面埋深約95 m，下穿神仙嶺水庫(kù)庫(kù)尾，位于細(xì)砂巖、石英砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r不整合接觸帶內(nèi)，溶洞大規(guī)模發(fā)育，主要填充物質(zhì)為碎塊石土，洞段采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖，開挖尺寸為7.0 m×6.9 m(寬×高)。

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

由于隧洞直接穿過(guò)巖溶發(fā)育區(qū)，隧洞開挖圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題十分突出，其預(yù)加固措施及支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定十分重要。該斷面地層預(yù)處理措施包括地表灌漿、全斷面超前注漿(注漿深度6.0 m)、超前管棚支護(hù)等措施[2]。具體設(shè)計(jì)支護(hù)包括：中空注漿錨桿(S28/5.5，間距1.0 m×1.0 m，L=4.5 m)、鋼拱架(I20a，榀距0.5m)、噴層(上部噴30 cm厚C25混凝土，底部20 cm厚C25墊層混凝土)、自密實(shí)混凝土(60 cm厚C30混凝土)、鋼襯(厚度24 mm)，施作襯砌后洞徑為5.2 m，各支護(hù)結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各支護(hù)結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

2 隧洞斷面有限元模型

根據(jù)工程資料建立斷面有限元數(shù)值模型如圖1所示，各地層的材料參數(shù)詳見表2。整體模型縱向長(zhǎng)度取1m(1倍錨桿間距)，為減弱模型邊界效應(yīng)的影響，模型左、右側(cè)邊界及模型底部與隧洞中心距離為50 m(約7倍開挖洞徑D)，頂部邊界模擬至地表。整個(gè)地層模型均采用C3D8R單元模擬，采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，共61 752個(gè)單元。除了頂部邊界為自由面外，模型其余各個(gè)邊界均施加法向約束[3]。各支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型模擬，其中鋼拱架采用梁?jiǎn)卧M，緊貼圍巖內(nèi)壁，錨桿采用桿單元模擬并埋入圍巖中。圍巖與噴層、噴層與自密實(shí)混凝土襯砌、自密實(shí)混凝土襯砌與鋼襯之間均采用綁定約束。

表2 地層材料參數(shù)

斷面采用地表灌漿及全斷面超前注漿等圍巖預(yù)加固措施，在有限元數(shù)值模型中采用等代層替代，通過(guò)提高原始地層力學(xué)參數(shù)以模擬灌漿效果，其中④地層巖石力學(xué)性能較好，計(jì)算時(shí)不考慮其灌漿后的材料參數(shù)提升，各灌漿區(qū)參數(shù)也在表2中給出[4]。

計(jì)算時(shí)首先構(gòu)建初始地應(yīng)力場(chǎng)，提高灌漿區(qū)材料力學(xué)參數(shù)，然后根據(jù)約束收斂法對(duì)隧洞開挖進(jìn)行模擬，考慮斷面開挖時(shí)圍巖荷載已釋放70%，此時(shí)施作初期支護(hù)(鋼拱架、錨桿及噴層)，待圍巖荷載完全釋放后施作鋼襯及回填自密實(shí)混凝土[5-8]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形

計(jì)算所得斷面圍巖位移場(chǎng)如圖2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，斷面圍巖整體變形主要以豎直向變形為主，較大的變形主要集中在開挖隧洞拱頂及右側(cè)區(qū)域。由于地層的不均勻分布，開挖后右側(cè)較軟弱土體受開挖擾動(dòng)較大，隧洞右側(cè)圍巖存在較大的變形，特別是在右側(cè)拱頂附近區(qū)域變形顯著，最大變形達(dá)到4.51 cm；隧洞左側(cè)巖體性質(zhì)較好，但存在部分區(qū)域?yàn)槲醇訌?qiáng)土體，存在一定的圍巖變形。觀察此時(shí)的地表沉降情況，隧洞正上方及右側(cè)地表區(qū)域沉降較為明顯，最大地表沉降量達(dá)1.79 cm，根據(jù)圖2(b)所給特征點(diǎn)提取圍巖變形量列于表3中。

圖2 圍巖變形及特征點(diǎn)分布

表3 洞壁及地表變形特征點(diǎn)位移 cm

由表3可知，開挖區(qū)附近圍巖主要向隧洞開挖臨空面變形，隧洞右側(cè)區(qū)域有較大變形，其中洞壁最大變形出現(xiàn)在D7測(cè)點(diǎn)，最大變形量為4.23 cm。洞壁整體圍巖變形量均在可控制范圍內(nèi)，說(shuō)明在設(shè)計(jì)方案采用的地層預(yù)加固與支護(hù)措施作用下，圍巖穩(wěn)定性有所保障。

3.2 圍巖塑性區(qū)分布

圍巖塑性區(qū)分布如圖3所示。由圖可知，地層整體塑性區(qū)廣泛分布在未灌漿的軟弱土層，同時(shí)物理力學(xué)性質(zhì)相差較大的巖層分界面上軟弱土體存在較大塑性變形。在全斷面超前注漿區(qū)域范圍內(nèi)，隧洞塑性區(qū)主要分布隧洞左右側(cè)及隧洞右側(cè)拱腳底部。隧洞周圍施作的錨桿基本可以錨固兩側(cè)圍巖塑性區(qū)，而隧洞右側(cè)拱腳底部塑性區(qū)基本貫穿全斷面注漿圈，同時(shí)存在較大的塑性變形，為減小底部塑性區(qū)及塑性變形，可考慮局部加強(qiáng)隧洞右側(cè)底部預(yù)支護(hù)強(qiáng)度，保證超前灌漿的質(zhì)量，為隧洞右側(cè)底部提供足夠的支撐強(qiáng)度。

圖3 圍巖塑性區(qū)分布

3.3 錨桿及鋼拱架應(yīng)力分布

計(jì)算所得錨桿的Mises應(yīng)力分布見圖4(a)。由圖可知，較大應(yīng)力主要集中在隧洞兩側(cè)區(qū)域的錨桿，左側(cè)錨桿由于位于強(qiáng)弱巖體的分界處，存在一定的應(yīng)力集中，其最大Mises應(yīng)力為174.5 Pa。錨桿整體應(yīng)力低于錨桿鋼材屈服強(qiáng)度，處于正常彈性工作范圍內(nèi)。

圖4 錨桿及鋼拱架Mises應(yīng)力分布(單位：Pa)

鋼拱架的Mises應(yīng)力分布如圖4(b)所示。由圖可知，鋼拱架在隧洞右側(cè)拱腳處有較大的應(yīng)力集中，最大Mises應(yīng)力為201.6 Pa，除右側(cè)拱腳局部區(qū)域外，其他部位整體應(yīng)力水平基本低于190 Pa。右側(cè)拱腳處的局部應(yīng)力較高主要原因?yàn)橛覀?cè)洞底塑性變形較大，洞底存在不均勻變形導(dǎo)致的，為了減小局部的應(yīng)力集中，可以考慮加強(qiáng)隧洞右側(cè)底部預(yù)支護(hù)強(qiáng)度，保證右側(cè)拱腳處的超前灌漿質(zhì)量，減小右側(cè)洞底的塑性變形，從而減小鋼拱架局部較大應(yīng)力。

3.4 噴層混凝土應(yīng)力分布

計(jì)算所得噴層混凝土應(yīng)力分布如圖5所示。由圖可知，噴層整體以受壓為主，左側(cè)拱頂處壓應(yīng)力較大，右側(cè)拱腳處存在局部壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力略超出噴層混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，整體壓應(yīng)力基本在噴層混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度內(nèi)；同時(shí)噴層整體拉應(yīng)力均小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，在噴層右側(cè)存在局部較大拉應(yīng)力1.22 Pa，基本可以認(rèn)為噴層混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞。

圖5 噴層混凝土應(yīng)力分布(單位：Pa)

3.5 地表灌漿效果討論

考慮到地表灌漿效果不夠穩(wěn)定，對(duì)有無(wú)地表灌漿的開挖方案進(jìn)行對(duì)比，提取其特征結(jié)果如表4所示。由表中計(jì)算結(jié)果可知，相比于無(wú)地表灌漿方案，當(dāng)考慮地表灌漿效果后，圍巖變形及塑性區(qū)分布區(qū)域、地表沉降量均有所減小，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力也略有減小?？梢钥闯?，圍巖預(yù)支護(hù)措施以全斷面超前注漿配合管棚支護(hù)為主，地表灌漿也能提高圍巖穩(wěn)定性，但其效果有限。

表4 有無(wú)地表灌漿方案下隧洞開挖特征結(jié)果

此外，地表灌漿能緩解隧洞右側(cè)地表支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中。其原因在于圍巖地層分布不均勻，開挖隧洞左側(cè)為巖性較好的灰?guī)r，而隧洞開挖斷面整體基本處于碎石塊土中，地表灌漿能提升隧洞底部巖石力學(xué)性能，能使隧洞底部的承載能力提升，同時(shí)改善隧洞右側(cè)底部的不均勻變形，緩解該處支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。

4 結(jié) 論

(1)所選工程圍巖穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全有所保證，設(shè)計(jì)中采用的圍巖預(yù)加固措施及支護(hù)措施是有效的。

(2)對(duì)于地層不均勻分布的復(fù)雜地層隧洞開挖，應(yīng)采用合理的預(yù)加固措施，在地層軟弱區(qū)域可考慮局部增強(qiáng)灌漿深度以提高圍巖穩(wěn)定性。

(3)對(duì)于開挖隧洞下方存在軟弱土體與較好巖體交界的情況，應(yīng)保證地表灌漿，全斷面注漿等預(yù)加固措施的質(zhì)量，必要時(shí)提高灌漿深度，保證隧洞底部的承載力，減小開挖斷面不均勻變形，從而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。