長(zhǎng)期浸水對(duì)未完工隧洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的影響

冉建西

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0046—03

長(zhǎng)期浸水對(duì)未完工隧洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的影響

冉建西

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

新疆某無(wú)壓輸水隧洞飽和水土體洞段在未完工的情況下被水長(zhǎng)時(shí)間浸泡，造成圍巖二次加速變形，通過(guò)浸水前后收斂變形數(shù)據(jù)反演土體物理力學(xué)參數(shù)，并對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算。

長(zhǎng)期浸水;無(wú)壓輸水隧洞;飽和水土體;圍巖變形;反演計(jì)算;襯砌內(nèi)力。

1 某隧洞浸水情況概述

隧洞停工期間沒(méi)能抽水，造成全洞淹沒(méi)8個(gè)月。當(dāng)時(shí)，豎井水深23 m，主洞埋深92 m左右，開(kāi)挖進(jìn)尺136 m，圍巖類別主要為低液限粉土，局部含夾砂礫薄層，隧洞僅完成一次噴錨支護(hù)。恢復(fù)施工后，為減小地下水位突然下降對(duì)洞周圍巖的破壞，歷時(shí)25 d緩慢抽干隧洞，發(fā)現(xiàn)樁號(hào)3+345 m掌子面塌方。

一次支護(hù)：鋼拱架噴錨支護(hù)，C20噴射混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為Φ6.5@120×120 mm；錨桿為擊入式錨桿，錨桿直徑20 mm，L=1.5 m，梅花形布置，環(huán)向間距0.8 m；洞壁安裝I14工字鋼拱架，間距0.5 m。二次襯砌：C25鋼筋混凝土，底拱厚50 cm，側(cè)、頂拱厚40 cm。

2 浸水前后隧洞圍巖變形和土體力學(xué)參數(shù)對(duì)比

本工程為軟土隧洞，在未完成襯砌澆筑的情況下長(zhǎng)期被淹沒(méi)于地下水中，洞周土體在飽和水的滲泡和滲透破壞的共同作用下變形加大、變形速度加快。在此整理較為典型的3+334 m斷面浸水前后收斂累計(jì)位移值-時(shí)間曲線、速率-時(shí)間曲線[1]，如圖1所示。

圖1 3+334 m斷面收斂變形位移、速率-時(shí)間曲線圖

樁號(hào)3+334 m斷面共計(jì)監(jiān)測(cè)344 d，其中第17～258天為隧洞浸水期。圖1中可以看出，浸水期內(nèi)隧洞變形速率較小，隧洞排干后原本已趨于穩(wěn)定圍巖又突然加速變形，變形速度加快1.5～4倍，收斂變形量出現(xiàn)峰值，頂拱測(cè)得的最大累計(jì)變形值為29 mm，邊墻最大累計(jì)變形值為62 mm，兩者相差2.1倍，邊墻變形受浸水影響較大。經(jīng)觀察，一次支護(hù)噴射混凝土拱頂及拱間位置出現(xiàn)縱向裂縫。

土體及支護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在水的浸泡下，一方面使得土體及支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)一步惡化，同時(shí)，降低了土體顆粒間的摩擦系數(shù)和粘聚力，約束條件下降。另一方面排水時(shí)土體內(nèi)部形成滲流通道，在圍巖內(nèi)產(chǎn)生了指向洞內(nèi)的滲透動(dòng)水壓力。因此，通過(guò)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)斷面得到的隧洞浸水前后的變形數(shù)據(jù)反演，3+334 m斷面洞周土體物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值、反演值對(duì)比[2]見(jiàn)表1。

表1 3+334 m斷面低液限粉土物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)反演分析，樁號(hào)3+334 m斷面受水浸泡后土體發(fā)生軟化，泊松比較原設(shè)計(jì)增加16%，當(dāng)泊松比由小變大時(shí)，側(cè)壓力系數(shù)[μ/(1-μ)]也隨之變大。圍巖強(qiáng)度參數(shù)中變形模量較原設(shè)計(jì)降幅40%，粘聚力下降46.7%，內(nèi)摩擦角減少8.8%，說(shuō)明低液限粉土受飽和水浸泡后，對(duì)粘聚力和變形模量力學(xué)性能影響較為明顯。

3 浸水前后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較與配筋的變化

本工程為無(wú)壓隧洞，外荷載起主導(dǎo)作用，襯砌結(jié)構(gòu)分別采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法、有限元法計(jì)算。結(jié)構(gòu)力學(xué)法利用普氏塌落拱理論計(jì)算山巖壓力，理正隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算襯砌設(shè)計(jì)內(nèi)力值。有限元法利用巖土工程數(shù)值仿真分析軟件FINAL復(fù)核計(jì)算，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷圍巖在開(kāi)挖過(guò)中的塑性屈服狀態(tài)，襯砌采用BEAM6曲梁?jiǎn)卧M。3+334 m斷面隧洞浸水前后襯砌彎矩和軸力值匯總及比值分別見(jiàn)表2、3。

表2 3+334 m斷面隧洞浸水前后襯砌彎矩和軸力值匯總表

表3 3+334 m斷面隧洞浸水前后襯砌彎矩和軸力的比值表

通過(guò)對(duì)表2、3分析，頂拱浸水前后內(nèi)力比值在2倍左右，而側(cè)、底拱浸水前后內(nèi)力比值在3倍左右，側(cè)、底拱內(nèi)力值受浸水影響較大，這與隧洞收斂變形監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律一致。襯砌計(jì)算配筋由原Φ18@200 mm增加至Φ22@200 mm，混凝土含鋼量由89.29 kg/m3增加至119.33 kg/m3，鋼筋用量增加33.6%，需要對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)重新配筋。

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程輸水隧洞同時(shí)具有軟巖、滲水量大的特點(diǎn)，由于停工期排水不到位，造成洞周土體浸泡軟化，降低了圍巖物理力學(xué)參數(shù)，致使襯砌配筋增大。我們應(yīng)吸取教訓(xùn)，在飽和水土體隧洞未完成襯砌時(shí)，切不可停止洞內(nèi)排水工作，避免高水位浸泡隧洞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。另外，未襯砌隧洞長(zhǎng)期浸水造成土體軟化，巖石力學(xué)參數(shù)性能降低的機(jī)理還不夠清晰，有待進(jìn)一步剖析和研究。

[1] 鄭甲佳,趙可.圍巖浸水對(duì)黃土地鐵隧道穩(wěn)定性影響分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,(02)：91-95.

[2] 江波.布倫口-公格爾水電站導(dǎo)流洞塌方處理及探討[J].廣西水利水電,2010,(01)：47-48.

[3] 李冠楠.復(fù)雜地質(zhì)條件下小斷面排水隧洞塌方處理及預(yù)防措施[J].西北水電,2014,(01)：41-46.

Impacts on Surrounding Rock and Lining of Uncompleted Tunnel Immersed in a Long Term

RAN Jian-xi

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000, China)

The uncompleted and saturated section of one pressure-free water transmission tunnel in Xinjiang is immersed in a long term. This causes a secondary expediting deformation of the surrounding rock. Through the data of convergence and deformation of the surrounding rock before and after being immersed, the physical-mechanics parameters of the soil mass are derived in inversion. Meanwhile, the internal forces and reinforcement arrangement of the tunnel lining are compared and verified. Key words:long-term immersion; pressure-free water transmission tunnel; deformation of surrounding rock; inversion calculation; internal force of lining

2014-11-10

冉建西(1982- )，男，新疆和靜縣人，工程師，主要從事新疆水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

TV672.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.012