軟弱圍巖引水隧洞初期開挖穩定性研究

鄭亞津，張宇馳

(1.上饒市水利電力勘測設計院，江西 上饒 334000；2.南昌經濟技術開發區 社會發展局，南昌 330013)

1 概 述

淺埋地層屬于隧洞工程不可避免的情況，其組成主要為破碎圍巖帶，質地軟弱，屬不良地質段。淺埋隧洞圍巖風化破碎導致圍巖受力復雜。淺埋隧洞難以形成承載拱，且風化帶、軟弱圍巖、地形偏壓等不利情況對隧洞開挖極為不利[1]。在隧洞開挖和完成后，變形會增加，如拱頂快速下沉、隧洞空間收縮、地面開裂等[2-3]。

本文通過數值分析軟件，針對引水隧洞工程的開挖進行模擬，建立二維模型，模擬在開挖過程中圍巖的受力狀態，探究在開挖過程中隧洞圍巖應力，水平、豎向位移隨著開挖進度的相對應的數值變化。同時，結合隧洞圍巖穩定性理論，為隧洞開挖提供相應的工程經驗。

2 淺埋隧洞圍巖穩定性理論分析

2.1 淺埋隧洞劃分標準

《隧道設計規范》(JTG D70-2-2014)考慮了等效荷載高度；確定淺埋隧洞分界標準時，還考慮了隧洞的施工方式與地質條件。淺埋隧洞分界深度公式可依據等效荷載高度來判定：

Hp=(2～2.5)hp

(1)

式中：Hp為淺埋隧洞分界深度；hp為荷載等效高度。

hp=0.45×2S-1ω

(2)

式中：S為圍巖級別；ω為寬度影響系數。

ω=1+i(B-5)

(3)

式中：B為隧洞寬度；i為隧洞每變化1 m為參考的圍巖增加率。圍巖垂直壓力標準取隧洞寬5 m時圍巖壓力，B<5 m時，i為0.2；B>5 m時，i為0.1。

2.2 隧洞斷面劃分標準

國際隧洞協會規定，小斷面隧洞凈空斷面積小于10 m2，中斷面隧洞凈空斷面積小于50 m2，大斷面隧洞凈空斷面積小于100 m2。日本隧洞協會規定，標準斷面開挖面積小于80 m2，大斷面開挖面面積小于120 m2，超大斷面開挖面積大于140 m2。而我國則根據開挖跨度小于6 m的隧洞定義為小斷面，6～1 m的定義為中斷面，大于10 m的定義為大斷面。

因此，我們認為大斷面隧洞開挖跨度大于10 m。

2.3 淺埋大斷面隧洞力學特征

跨度大、埋深淺是大斷面隧洞普遍具有的特征，其外形也通常呈扁平拱狀。

2.3.1 應力分布特征

受力分析對象為隧洞側面的三角形滑塊，將F定義為支護阻力合力，三角形豎邊與該力所成夾角為θ+φ，具體見圖1。

圖1 斷面應力分布

根據靜力平衡可推出：

qhtanθ+G-Nsinθ-Tcosθ-Fcos(θ+φ)

Fsin(θ+φ)+Tsinθ-Ncosθ=0

(4)

隧洞圍巖在滑裂面上采用的本構關系為摩爾-庫倫準則，公式如下：

T=Ntanφ+cl

(5)

式中：滑裂面長為l=h/cosθ

將式(1)與式(2)聯立可得：

(6)

式中：三角形破裂體自重G=γh2tanθ/2。

Fx=Fsin(θ+φ)

sin(θ+φ)

(7)

若應力在豎直方向分布均勻，則隧洞洞室沿深度的平均水平壓力計算公式如下：

(8)

2.3.2 應力重分布特征(開挖后)

當應力重分布完成后，應力多集中在隧洞腳底。由于拱頂穩定性差，大斷面隧洞即使在圍巖條件較好時也會出現較大塑性變形，因此應力重分布發展越發不利。

2.3.3 圍巖應力分布特征(上部)

形成承載拱作用需要較大的埋深，而大斷面隧洞一般深度較淺，難以形成承載拱，在上部圍巖將產生松弛應力，且應力值較大。

3 算例分析

3.1 工程概況

某引水隧洞圍巖主要為V級、IV級，最大隧洞埋深為748 m，高程在1 485～1 543 m之間，相對高程57 m，主要地層為第四系沖洪積(Qal+pl)、第四系坡殘積(Qdl+el)層、白堊系上統勐野井組(K2me)巖層。黏土及粉砂質泥巖分布在隧洞進口。黏土狀態為可塑，粉質砂巖屬強風化，巖體為破碎狀土塊松散結構，有豐富地表水，巖體內構造裂隙發育，淋雨或流出水現象在開挖時會出現。隧洞全長5 567 m，襯砌斷面為r=5.5 m的單心圓，內輪廓凈空寬11 m、高7.1 m，開挖半徑為6.2 m。初期支護中，錨桿長度為3 m，間距為1.5 m，布置形式為梅花形。噴射混凝土厚度取250 mm，選用18工字鋼做鋼支撐，二次襯砌厚度為500 mm，二次襯砌與初期支護之間布設塑料防水板。

3.2 不同圍巖對隧洞圍巖穩定性影響

3.2.1 計算模型

隧洞圍巖的分級所對應的穩定性是不盡相同的，大斷面淺埋隧洞圍巖一般較軟弱，因此本文重點研究IV、V、VI級圍巖所對應的隧洞圍巖穩定性。

3.2.1.1 模型建立

以研究區域隧洞斷面作參考面建立相關模型，開挖隧洞采用上下臺階法，開挖寬度取12.2 m，高度取9.32 m，隧洞模型水平取值范圍考慮到消除邊界影響，需取開挖深度值的4倍，豎向取值范圍為從地表至開挖深度3.2倍。模型尺寸取100 m×64 m。模型水平移動由左右邊界限制，豎向移動由下邊界限制，自由面為上邊界。隧洞圍巖和襯砌采用實體單元。計算模型見圖2。

圖2 計算模型

3.2.1.2 計算參數

計算所取參數來源于巖體分級參數和實測值，具體參數見表1。

表1 圍巖和支護力學指標

3.2.1.3 施工模擬

1)上下臺階法。此工法先開挖隧洞上半面，當開挖長度達到一定后開始開挖下半面，具體施工步驟見圖3。

圖3 上下臺階法施工斷面圖

由于隧洞橫向尺寸遠小于縱向尺寸，因此取每延米建立模型可以將三維問題轉變為平面問題來處理。假設不考慮二襯條件，隧洞開挖步驟為：①初始應力場平衡；②開挖上臺階；③上部支護，激活襯砌單元；④下臺階開挖；⑤下部支護，激活襯砌。

2)測點布置。隧洞截面特征點是監測位移的測點，具體布置見圖4。

圖4 監測點布設

3.2.2 不同工況計算分析

3.2.2.1 圍巖位移

圖5為不同圍巖工況條件下位移監測圖。圖5中監測點數字編號對應圖4中的監測點位置，具體為1-拱頂、2-拱肩、3-拱腰、4-拱腳、5-拱底。

圖5 不同圍巖隧洞監測點位移

從圖5可看出，隧洞在開挖以后對土體產生擾動，土層由于卸載和自重應力作用使隧洞整個輪廓圍巖都產生了豎向位移，拱頂、拱肩、拱腰處都產生了向下的位移，拱腳和拱底則產生了向上的位移。隧洞開挖時，水平位移多出現在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處。水平位移正向均為臨空一側。在相同工況下，隧洞產生的豎向位移大于水平位移。當圍巖級別改變時，隧洞產生的豎向位移和水平位移也相應發生變化。IV級圍巖隧洞產生的位移最小，VI級圍巖隧洞產生的位移最大。豎向位移中最大沉降發生在拱頂，為6.5 mm，最大隆起發生在拱底處，值為7.8 mm；水平位移最大發生在拱腳處，為3.6 mm。隨著圍巖級別變化，IV級圍巖更趨于穩定，VI級圍巖更加不穩定。因此，若隧洞經過VI級圍巖時需注意加強支護，加密監測頻率，保證隧洞穩定。

3.2.2.2 地表沉降

圖6為不同工況地表沉降。從圖6可看出，隧洞圍巖產生的豎向位移是導致地面發生沉降的主要原因，地表沉降曲線與Peck沉降槽曲線相吻合。地面沉降在隧洞中心點上方為最大，達到3.58 mm，隨著距離隧洞中心點越遠，地面沉降值越小。從圖6中還可看出，隨著圍巖等級的減少，地表沉降值也在逐漸增大，表明隧洞在穿越VI級隧洞時，要加強隧洞支護，嚴格監測地表沉降值。

圖6 地表沉降

3.2.2.3 圍巖應力

圖7為不同工況時圍巖的最大主應力和最小主應力。從圖7中可看出，隧洞開挖導致隧洞頂部和底部圍巖應力產生釋放，應力則集中發生在拱頂、拱腰和拱底處。最大拉應力出現在隧洞拱頂處，為450 kPa；最小主應力是拱底壓應力，最大值為4.5 MPa。，最大主應力和最小主應力也隨著圍巖等級減小相應變小。IV級圍巖與V級圍巖差別不大，與VI級圍巖的應力位移相比差別較大，所以VI級圍巖屬最不穩定。隧洞穿越VI級圍巖時，需加強支護與監測，保證隧洞的穩定性。

圖7 圍巖應力

4 結 論

隧洞圍巖等級降低將會導致圍巖最大主應力和最小主應力降低。通過圍巖工況對比可知，VI級圍巖最不穩定，需要重點監測，以保證其穩定性。