水打橋隧洞進口段軟弱圍巖應力分析

趙德才，許 列

（1.貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550081；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

水打橋隧洞為貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）一干渠深埋長隧洞，隧洞總長20.36 km，于2015年9月動工。該段前期開挖揭露圍巖為泥質粉砂巖夾粉質泥巖、泥巖、煤層并含有少量滲水，屬于軟弱圍巖。2017年3月，隧洞進口開挖至K0+820樁號時，發現K0+700～K0+820段有噴射混凝土脫落、開裂及拱架扭曲變形現象，為保證隧洞開挖施工和工程后期運行安全，并為設計提供有效圍巖應力數據資料，在該段隧洞內選取3個監測斷面布置三點式錨桿計，對進口段軟弱圍巖應力進行監測和分析，最終根據監測數據情況制定相應加強支護方案。

1 錨桿計布置

為了解水打橋隧洞進口段K0+700～K0+820錨桿應力分布情況，分別選取了變形相對較大的K0+720、K0+740、K0+760斷面布置錨桿計，K0+720布置在左拱肩斜向上45°角，K0+740布置在右拱肩斜向上75°，K0+760布置在右拱肩斜向上45°。每根錨桿上各布置3個不同深度測點。錨桿計儀器類型為Φ32光纖光柵式錨桿計，量程均為200 MPa。具體布置見圖1。

2 錨桿計應力分析

圖1 水打橋隧洞進口各監測斷面錨桿計布置（單位：mm）

2017年5月20日，完成了對水打橋隧洞進口段K0+720、K0+740、K0+760監測斷面的錨桿計安裝。使用BGK-FBG-8210光柵解調儀讀取監測儀器數據［1］。取得基準值后，通過高頻次連續觀測繪制錨桿計所受應力隨時間變化曲線（見圖2～4）和各監測斷面不同深度錨桿計應力值對比圖（見圖5）。

圖2 水打橋隧洞K0+720監測斷面AS1應力變化曲線

圖3 水打橋隧洞K0+740監測斷面AS2應力變化曲線

圖4 水打橋隧洞K0+760監測斷面AS3應力變化曲線

圖5 水打橋隧洞錨桿計應力值對比

從錨桿應力隨時間變化過程曲線來看，在加強支護措施實施前（2017年6月30日），主要分為兩個階段。

（1）凝固階段。2017年5月21～24日，9支光柵式錨桿計應力迅速增大，變化速率處于較大水平，但各錨桿計應力值相對較小，最大應力值為37.04 MPa。這是由于錨桿計安裝埋設后孔內水泥砂漿初凝，錨桿計與圍巖巖體在漿液凝固作用下緊密結合，導致錨桿計逐漸開始受力，應力值增大［2］，符合錨桿水泥砂漿水化熱反應凝固階段應力變化一般規律。2017年5月24～26日，各錨桿計應力變化量較小，監測數據平穩。

（2）變化階段。2017年5月27日監測數據發現異常，K0+720監測斷面的三點式錨桿計中距孔口3 m深度測點AS1-2拉應力測值為49.78 MPa，較上一日應力增大12.47 MPa，日變化速率突增明顯；當日其余測點應力值未見明顯增大，相對穩定。直至6月30日，K0+720監測斷面錨桿計測點AS1-2應力均處于持續增大狀態。2017年6月19日，AS1-2測點應力值超過其本身設計量程200 MPa，并在2017年6月30日達到實測最大應力值288.18 MPa，平均變化速率為7.43 MPa/d。該段時間內K0+720斷面AS1-3、K0+740斷面AS2-2、K0+760斷面AS3-1這3個測點應力值有緩慢增大趨勢，平均變化速率為0.48～1.26 MPa/d，但應力值相對較小，最大應力值為45.37 MPa。其余錨桿計測點均無明顯應力增大，監測數據無異常。

3 穩定性評價

通過現場仔細巡查，發現隧洞K0+720斷面周圍噴射混凝土有掉塊、開裂跡象。結合錨桿計監測數據和現場巡視檢查情況分析認為：在K0+720斷面左側距離錨桿孔口3 m左右深度處，巖體存在裂隙或軟弱結構面。錨桿計測點AS1-2受下部臨空巖體重力作用產生集中拉應力導致應力增大，當此部分巖體與鋼支撐緊密接觸，鋼支撐分擔了軟弱結構面以下巖體的重量時，錨桿計測值將漸趨平穩。但是，如果鋼支撐不足以承受該部分巖體臨空應力時，將可能發生變形垮塌。2017年5月27日至6月30日正值工程區域主汛期，該隧洞段埋深較大，地表水入滲會導致圍巖孔隙水壓力增大，也將進一步影響錨桿計測值，圍巖松動的影響范圍可能會呈現向周圍擴展的趨勢。

4 處理措施

根據監測數據及其分析推斷，2017年6月末及時在水打橋隧洞K0+720斷面附近進行加強支護，處理措施為：①對K0+720未注漿的0～3 m段進行注漿；②對K0+720斷面的自進式錨桿進行加密，在兩根錨桿間增加1根，一個斷面共增加7根，全部注漿；③對K0+720斷面前后的各已榀未實施自進式錨桿的鋼支撐進行加固，每榀鋼支撐240°范圍增加8根自進式錨桿，全部注漿，共增加16根。

5 結語

在水打橋隧洞K0+720斷面加強支護后，自2017年7月初起，該斷面錨桿計測點AS1-2應力無繼續增大趨勢，并呈現出下降趨勢；到2017年7月末，該測點應力值下降到187.75 MPa，回到錨桿計設計量程范圍內，之后保持相對穩定狀態。與此同時，該斷面同一錨桿上另一測點距孔口1 m深度的AS1-1應力值也呈下降趨勢，進一步證明該斷面附近的加強支護措施取得了一定效果，鋼支撐和新增的錨桿承受了隧洞圍巖巖體向臨空面的一部分應力。距孔口5 m深度測點AS1-3應力一直呈緩慢增大趨勢，該測點應力值在2017年8月26日突然增大43 MPa，達到95.62 MPa，隨后又保持相對穩定狀態，說明該斷面軟弱圍巖的裂隙或軟弱結構面在深度上有向深處發展的趨勢。