西甘池隧洞圍巖參數反演與支護優化

張順峰

摘要：取西甘池隧洞HD12+570-HD12+770段建立FLAc3D模型，模擬隧洞分段開挖及支護，將圍巖參數E、u、c、Ф進行正交設計并代入模型，計算洞頂沉降量與兩壁水平收斂值，與所選斷面實際監測數據對比，得出與實際變形最為接近的圍巖參數組合，在后續斷面變形監測值中進行驗證，計算誤差滿足精度要求，表明反演所得Ⅲ類圍巖參數廬0.77×10（4）MPa、u=0.29、c=13MPa、Ф=39°和Ⅳ類圍巖的力學參數E=0.26×104MPA、U=0.33、c=0.5MPa、Ф=35°是可靠的。在此基礎上，以錨桿排距為研究對象，對Ⅳ類圍巖錨噴支護進行優化。結果表明，原錨桿支護設計方案偏于保守，錨桿排距可適當加大。

關鍵詞：隧洞;力學參數;反演;支護優化

中圖分類號：U452.1 文獻標識碼：A 文章編號：007-1903（2019）01-0090-07

0前言

長期以來，隧道圍巖力學參數的確定一直是工程地質學者研究的重要課題。通過室內試驗不能全面反映圍巖的變形特征，現場試驗由于耗時、耗資巨大，絕大多數工程還是達不到這個要求。而反分析方法的出現及對圍巖變形觀測技術的大力應用與推廣，給我們帶來了一條新的研究途徑（蔡美峰，2003;何滿潮，2006）。大量研究及實例表明，利用隧洞施工中實際觀測的位移及應力變化，來反演圍巖的實際物理力學參數，能夠得到較為合理的巖土體參數，從而為隧洞施工、支護方案的優化及有關預測提供可靠的數據（徐建國，2008;賈超等，2003;孫鈞，2010）。本文以南水北調中線應急供水工程（京石段）西甘池隧洞施工項目為例，用FLAC3D軟件對隧洞開挖進行模擬，利用現場監測隧洞斷面頂拱沉降和水平收斂位移反演圍巖物理力學參數，得出與工程實際較為吻合的巖體參數。在此基礎上，對隧洞的錨桿支護方案進行了優化，同時也為隧洞的二次襯砌及隧洞通水受到內水壓力后的變形預測提供資料依據。

1計算模型的建立

1.1隧洞地質概況

隧洞所在區屬低山丘陵區，地面形態呈低矮平緩的地形，最大高程96.45m，相對高差25m左右。隧洞軸線穿過兩個崗嶺，中間發育有近南北走向的溶蝕洼地，洼地寬約60m，沿洞線形成啞口地形，地面坡度4讀-16°，總體地勢西高東低。該區位于蕎麥山穹隆之東南翼，屬單斜巖層，傾角26°～29°，節理發育一般，斷層不發育。隧洞起止樁號12+300～14+100，全長1800m。

根據現場勘查資料，區內主要分布的地層為薊縣系霧迷山組第四段大理巖，其頂部多被第三系殘積層覆蓋，厚度較薄，可忽略不計。大理巖層中夾有滑石片巖透鏡體，其礦物成份以鱗片狀滑石為主，巖石軟弱，用鎬頭即可刨動，在隧洞進口一帶呈透鏡體狀分布，從隧洞進口至中部的啞口段，滑石片巖的分布呈逐漸減少之趨勢。

按照《水利水電工程地質勘察規范》GB 50287-99對隧洞圍巖進行工程地質分類，根據鉆孔及隧洞圍巖編錄結果，本文所選區段巖性以大理巖為主，巖石堅硬較完整，層間夾有厚度不等的極軟弱的滑石片巖。局部會產生塑性變形，圍巖類別多為Ⅲ類和Ⅳ類（表1）。

1.2隧洞設計方案及模型建立

該隧洞長1800m，采用馬蹄形型雙洞方案，洞徑6.0m，間距14m，二次襯砌后埋設直徑為4m的PCCP管道。本文選取HD12+570～770段建立FLAC3D計算模型。整個模型包括159800個單元，169240個節點，在隧洞橫斷面方向（x方向）兩端（x=-40，x=40）施加x方向約束，隧洞軸向方向（Y方向）施加兩端（Y=0，Y=200）施加Y方向約束，隧洞底面（z=41）XYZ三方向均施加約束。由于隧洞埋深較淺，巖體中初始地應力場主要為自重應力場。

2參數設置

2.1錨噴支護參數

對于Ⅲ類圍巖，初襯支護方案為錨噴支護，噴砼厚度100mm，錨桿上部270°范圍12Ф20，L=2.0m，間距1.135m，排距1.0m;對于Ⅳ類圍巖，噴砼厚度150mm，鋼筋網Ф8（150×150ram），錨桿上部270°范圍15Ф20，L=2.5m，間距1.027m，排距1.0m，（圖1）。錨桿及混凝土相關參數取經驗值（表2）。

2.2圍巖參數正交設計

圍巖參數的選取過程即為參數反演的過程，通過不斷調整參數值，使模擬計算的頂拱沉降位移值逼近所選取斷面實測的頂拱沉降值。根據實驗給出的圍巖物理力學參數，結合《錨桿噴射混凝土支護技術規范》GB50086—2001中建議的各類圍巖力學參數值，首先確定Ⅲ、Ⅳ類圍巖各個參數的取值范圍（表3）。

正交設計就是利用正交表來合理安排試驗，利用數理統計的原理科學地分析實驗結果，處理多因素實驗的科學方法。通過代表性很強的少數次實驗，摸清各個因素對實驗指標的影響情況，找出最優化參數組合（方開泰，2001;李云鵬等，2007）。現對Ⅲ類和Ⅳ類圍巖參數分別進行正交設計，按照參數個數及取值范圍，采用4因素6水平，模型試驗次數為36種（表4、表5）。

3隧洞模擬開挖與調參

3.1模型內監測點設置

在模擬隧洞開挖前，應根據施工現場典型監測斷面點來選取模型內的監測點。本模型中選取8個監測斷面，其中右洞HD12+622和左洞HD12+582兩斷面的監測成果用于圍巖力學參數的反演，其余監測點用于對該參數可靠性的分析。根據觀測資料可知，兩斷面洞頂累計沉降量分別為3.96mm和3.88mm，兩壁水平收斂位移均在0.7-1.1mm之間，水平收斂很小。所以反演主要以洞頂沉降量為準。

3.2模擬開挖及調參結果分析

開挖過程共分為7個階段：

第一階段：右洞進尺到HD12+602;

第二階段：右洞進尺到HD12+630，左洞進尺到HD12+602;

第三階段：右洞進尺到HDl2+670，左洞進尺到HD12+630;

第四階段：右洞進尺到HD12+710，左洞進尺到HD12+670;

第五階段：右洞進尺到HD12+750，左洞進尺到HD12+710;

第六階段：右洞進尺到HD12+770，左洞進尺到HD12+750;

第七階段：左洞進尺到HD12+770。

前三階段用于參數的反演，將Ⅲ類、Ⅳ類圍巖正交參數逐一代入到模型，計算所得兩斷面頂拱沉降量。

（1）Ⅲ類圍巖調參計算結果分析

斷面HDl2+622Ⅲ類圍巖正交參數組合中11組在開挖到第三階段計算頂拱沉降量為3.924mm，該斷面實測值為3.96mm，誤差0.92%。隧洞開挖后，由于應力的突然釋放，頂拱瞬時會產生較大的沉降量，之后逐漸趨于平緩。從x方向云圖可看出，兩側邊墻、拱腰及底板兩側下緣水平位移最大，約0.5ram左右，兩壁水平收斂約1mm，變形較小，與實測值較符合（圖2、表6）。

（2）Ⅳ類圍巖調參計算結果分析

斷面HDl2+582Ⅳ類圍巖正交參數組合中24組在開挖到第三階段計算頂拱沉降量為3.867mm，該斷面實測值為3.90mm，誤差0.85%（圖3、表7）。

隧洞開挖后，應力突然釋放，頂拱瞬時亦會產生較大的沉降量，從x方向云圖可看出，兩側邊墻、拱腰及底板兩側下緣水平位移最大，約0.55mm左右，其中右壁位移較左壁稍大，兩壁水平收斂約1.08mm，變形較小，與實測值符合。根據以上分析，初步確定Ⅲ類圍巖的力學參數分別為：E-0.77×104MPa、u=29、Φ=39°、C=13MPa;Ⅳ類圍巖的力學參數分別為：E=0.26×104MPa、u=33、Φ=35°、C=0.5MPa。

3.3參數驗證

將反演所得Ⅲ類和Ⅳ類圍巖參數代入到模型，計算隧道圍巖的頂拱沉降和水平收斂，按照施工步驟對隧洞進行開挖，當開挖到第七階段后，通過對各監測點頂拱沉降曲線與x方向位移云圖分析，將計算位移值與實測位移值相對比（表8）。

洞室開挖后，頂拱會產生較大的瞬時沉降，隨著時步的推移，沉降速率減小，直到趨于平緩。洞室的下一步開挖會在一定程度上對已開挖洞室圍巖應力分布產生影響，使上一步沉降趨于穩定的拱頂產生小的沉降速率增加，但隨著掌子面的推移影響逐漸減小。x方向水平位移較大值主要發生在邊墻、拱肩及底板下緣，左洞右側拱腰處位移值最大，約0.63mm。

根據表8，模型內選取斷面的模擬頂拱沉降值及水平收斂值與實測值的相對誤差多在5%以內，其中Ⅲ類圍巖模擬位移值與實測值誤差相對較小，而Ⅳ類圍巖模擬值與實測值誤差較大。這主要是因為Ⅳ類圍巖為薄一中厚層大理巖夾滑石片巖透鏡體，滑石片巖強度低，風化程度高，它在洞室中的分布位置對圍巖變形有較大影響。

經以上分析，模擬所得圍巖變形與工程實際測量結果是較符合的，作為該區段圍巖力學參數是可靠的。

4錨桿支護優化

根據模擬計算位移值及實測位移值，洞室Ⅲ類和Ⅳ類拱頂最大沉降量均在5mm以內，而按照設計拱頂最大沉降量不大于10mm的要求，洞室的支護設計在理論上還有優化的空間，使巖體最大限度地發揮自身的自穩能力。錨桿的優化可從錨桿的支護形式、錨桿長度、錨固方位角、錨桿直徑以及錨桿的間排距這五方面來考慮（趙其華，2008;王巍，2006），本文以錨桿排距作為優化對象。按照隧洞設計要求，對于Ⅳ類圍巖，噴砼厚度150mm，鋼筋網Φ8（150×150mm），錨桿上部270。范圍15Φ20，L=2.5m，間距1.027m，排距1.0m。以HDl2+650斷面為例，在原支護方案下，該斷面頂拱z方向最大位移值發生在右洞頂拱中心左側及左洞頂拱中心右側，約4.45mm;x方向最大位移值也發生在拱腰部位以及兩側墻壁、隧洞底角，約0.52mm;洞室最大主應力和最小主應力都表現為壓應力，最大值為1.9MPa，底板基本上表現為拉應力，最大為0.1MPa。優化方案分別選用錨桿排間距為1.2m和1.5m進行計算，結果如下。

（1）錨桿排距為1.2m

在錨桿排距為1.2m的條件下，HDl2+650斷面z和x方向位移，最大主應力和最小主應力見圖4、圖5。

從圖4、圖5可看出，當錨桿間距為1.2m時，拱頂沉降及側壁x方向位移均有所增大，其中拱頂最大沉降量約5.26mm，較原支護條件下增加了0.81mm。x方向最大位移值出現在左洞右側拱腰，約0.7mm，較原支護條件下增加了0.18mm。洞室周邊最大主應力和最小主應力基本表現為壓應力，其中最大壓應力為2.7MPa，兩側壁應力集中程度最高。拉應力僅出現在底板上，最大值為0.17 MPa。洞室基本穩定。

（2）錨桿排距為1.5m

在錨桿排距為1.5m的條件下，HDl2+650斷面z和x方向位移，最大主應力和最小主應力見圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可看出，當錨桿間距為1.5m時，洞室拱頂最大沉降量增大到6.30mm，x方向位移主要發生在拱肩、拱腰及底板兩側，最大值為1.19mm。洞室周邊最大主應力在拱頂及拱腰處出現拉應力，最大值為0.15MPa。最小主應力在兩側壁表現為壓應力，最大值約1.79MPa，拱頂處最小主應力基本為零或變現出很小的壓應力。根據洞室圍巖穩定性判定方法，拱頂及拱腰處圍巖處拉應力大于圍巖極限抗壓強度與安全系數的比值，洞室穩定性較差。

經過以上兩個對錨桿優化方案的比較，當錨桿間距為1.2m時，基本滿足洞室穩定性的要求，在理論上時可行的。當錨桿間距為1.5m時，洞室頂拱及拱腰出現拉應力，由于隧洞圍巖為薄層大理巖夾滑石片巖透鏡體，巖體抗拉強度較小，故最佳的支護設計應使隧洞拱肩以上不出現拉應力。所以當錨桿間距為1.5m時不滿足洞室穩定性的要求。

以上對錨桿優化方案的探討，說明隧洞錨桿支護在理論上有一定的優化空間。可為工程節約大量人力、物力和財力。

5結論

（2）通過對Ⅳ類圍巖的錨噴支護優化分析，當錨桿排距為1.2m時，拱頂沉降與側壁水平收斂可滿足洞室穩定要求。可為工程節約大量成本。