支護條件下隧洞圍巖穩定性及支護結構受力分析

李書友，馮亞輝，職承杰

(1.南水北調中線實業發展有限公司，北京 100176； 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300202； 3.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430000)

1 概 述

某大型引調水工程位于青藏高原，線路穿越高山峽谷區，地形高峻陡峭，溝谷深切，隧洞分段樁號41+461～45+853洞身段，長度4.4 km，埋深270～535 m。洞室巖體為泥盆系下統格絨組下段(D1g1)泥質板巖，多呈微新狀態，為較軟巖、板理較發育；隧洞軸線與巖層走向小角度相交，易出現片幫破壞或掉塊現象，圍巖分類為Ⅳ類。

本文分析IV類泥質板巖300 m埋深隧洞在支護條件下的圍巖穩定性，支護措施既考慮了初期錨噴支護，也考慮了永久襯砌支護。與毛洞工況進行對比，分析錨固支護措施對圍巖塑性區分布、圍巖變形、圍巖的承載性能和受力狀態產生的正向影響。

2 數值計算的基本理論

2.1 運動方程

以節點為計算對象，將力和質量均集中在節點上，然后通過運動方程在時域內進行求解。節點運動方程可表示為如下形式：

(1)

將式(1)左端用中心差分來近似，則可得到：

(2)

2.2 本構方程

應變速率與速度變量關系可寫為：

(3)

本構關系有如下形式：

(4)

式中：κ為時間歷史參數；M( )為本構方程形式。

2.3 應變、應力及節點不平衡力

FLAC3D由速率來求某一時步的單元應變增量，如下式：

(5)

求得應變增量，即可由本構方程求出應力增量，各時步的應力增量疊加即可得出總應力。

2.4 阻尼力

對于靜態問題，在式(5)的不平衡力中加入非黏性阻尼，以使系統振動逐漸衰減直至達到平衡狀態(即不平衡力接近零)。此時式(5)變為：

(6)

阻尼力為：

(7)

式中：α為阻尼系數。

(8)

3 初始計算條件

以馬蹄形隧洞斷面為主要分析對象，對IV類圍巖條件下的隧洞圍巖穩定性進行分析。圖1為馬蹄形斷面的支護設計方案。泥質板巖各項物理力學指標建議值見表1，巖體力學參數取值根據表1確定。計算分析模型選用洞形比選時采用的網格，見圖2。

圖1 馬蹄形隧洞支護方案

表1 巖體力學參數取值

圖2 計算分析時考慮的IV類圍巖初期支護措施

4 圍巖穩定分析

針對IV類泥質板巖300 m埋深洞段進行分析。其中，對于毛洞工況，不考慮任何支護措施。對于錨固支護工況，初期支護采用IV類圍巖支護設計參數，考慮為及時支護，即僅滯后掌子面2 m施作初期支護；永久襯砌施作時，考慮多組襯砌滯后掌子面安裝的距離進行對比計算分析，并根據襯砌受力和配筋確定合適的滯后距離。以下分別從圍巖塑性區、塑性應變指數、變形、應力、錨桿應力和襯砌受力等指標進行分析。

4.1 圍巖塑性區

圖3為毛洞工況和錨固支護工況條件下的塑性區分布對比；表2為洞周各部位圍巖塑性區深度的對比；表3為洞周圍巖塑性區的體積。可以看出，毛洞開挖完成，洞室頂拱、邊墻和底板部位的塑性區深度分別為3.0、2.7和3.6 m，考慮錨固支護措施后，洞室頂拱、邊墻和底板部位的塑性區深度分別為1.8、2.1和3.0 m，分別比毛洞工況下降40%、22%和17%。從塑性區體積來看，毛洞開挖完成，洞周剪切塑性區體積為1.94×104m3，拉伸塑性區體積為0.46×104m3；考慮錨固支護措施后，洞周剪切塑性區體積為1.68×104m3，拉伸塑性區體積為0.37×104m3，分別比毛洞工況減少13%和20%。這表明錨固支護措施能夠有效減小洞周圍巖的塑性區分布范圍和塑性區體積，有利于圍巖穩定。

圖3 圍巖塑性區分布對比

表2 洞周各部位圍巖塑性區深度

表3 洞周圍巖塑性區體積

4.2 圍巖塑性應變指數PSI

圖4為圍巖塑性應變指數PSI的對比?？梢钥闯觯紤]錨固支護后，洞周圍巖開挖面附近的PSI量值比毛洞工況有明顯減小。這表明錨固支護能夠減輕圍巖的卸荷損傷累積，有利于保障圍巖的穩定性。

圖4 圍巖塑性應變指數PSI對比

4.3 圍巖變形

圖5為圍巖變形分布的對比；表4為洞周各部位的圍巖變形對比?？梢钥闯?，考慮錨固支護后，洞周圍巖各部位的變形均有明顯降低，其中頂拱部位的變形減小39.9%，邊墻部位的變形減小24.2%，底板部位的變形減小17.5%。這表明錨固支護措施能夠有效限制圍巖的變形量值，降低圍巖發生變形失穩的可能。

圖5 圍巖變形對比

表4 洞周各部位圍巖變形

4.4 圍巖應力

圖6為圍巖第一主應力對比；圖7為圍巖第三主應力對比。可以看出，考慮錨固支護措施后，圍巖的第一主應力增加較為顯著，壓應力增幅在0.7～3.1 MPa；第三主應力也由量值很小的壓應力變為較顯著的壓應力。這表明考慮錨固措施后，有助于提高圍巖的承載性能，改善圍巖的受力狀態。

圖6 圍巖第一主應力對比

圖7 圍巖第三主應力對比

5 結 論

針對IV類泥質板巖300 m埋深洞段毛洞、錨固支護洞身圍巖應力、應變進行了對比分析。結果表明，錨固支護措施能夠有效減小洞周圍巖的塑性區分布范圍和塑性區體積；減輕圍巖的卸荷損傷累積；有效限制圍巖的變形量值，降低圍巖發生變形失穩的可能；有助于提高圍巖的承載性能，改善圍巖的受力狀態，錨固支護洞身更有利于保障圍巖的穩定性。在施工中，對于埋深大、巖性差、圍巖變形顯著的洞段，應根據圍巖變形的時空特征，在施加常規錨噴支護和鋼拱架支護的基礎上，研究超前支護的必要性和可行性。建議根據圍巖變形的程度，預留一定的圍巖變形余度，防止圍巖變形較過大而侵占隧洞凈空面積。