隧洞圍巖穩(wěn)定性及支護時機分析

陳 特，鄧云瑞，謝道強，項 勛，任旭華

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.山東省濟南市長清區(qū)萬德鎮(zhèn)水務局，山東 濟南 250309；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

在隧洞開挖階段，圍巖應力釋放且存在應力重分布現(xiàn)象[1-2]。工程實踐表明，圍巖應力調整和變形過程并非短時間內完成，與隧道設計尺寸、工程地質條件、開挖方法、支護時機等多因素有關，因此確定圍巖釋放率是一個比較棘手的問題。高俊合等[3]對比分析開挖荷載釋放的3種模擬方法——Mana法、單元應力內插法和位移法，并對Mana法進行改進，所得計算結果精度顯著提高；張傳慶等[4]基于快速拉格朗日法基本原理，討論實現(xiàn)應力釋放法的理論依據(jù)；朱彥鵬等[5]采用應力釋放法合理模擬黃土隧道的施工過程，分析施工對黃土及支護結構力學特性的影響；常智慧[6]圍繞深埋隧洞展開研究，通過建立開挖荷載釋放率、變形完成率和掌子面超越距離之間的關系，確定深埋隧洞最佳初次支護時機；胡天明等[7]通過研究不同初期支護時機對圍巖應力變形及塑性區(qū)的變化影響，指出支護時機提前會增加支護結構受力，同時圍巖穩(wěn)定性將顯著提高。

以上研究大多以公路隧洞為主。針對水工隧洞，圍巖整體穩(wěn)定一般依靠初期支護來維持，二次襯砌主要用于承受運行期的內外水壓力。鑒此，本文依托某電站右岸尾水隧洞工程，采用荷載釋放法確定尾水隧洞最佳初期支護時機，并依據(jù)此最佳支護時機分析毛洞開挖和噴錨支護開挖對于隧洞整體應力變形和塑性區(qū)擴展的影響。

1 計算原理與方法

1.1 初始地應力

地應力是各種地下結構開挖施工階段圍巖變形和塑性破壞的原始動力，因此合理確定圍巖初始地應力場是進行圍巖穩(wěn)定性分析和開挖支護設計決策的關鍵。本文數(shù)值模擬中，初始地應力場只考慮自重和側向壓力的作用，未考慮地質板塊間構造作用的影響。地應力場基于金尼克假定，即垂直應力等于上覆蓋層的質量，即

(1)

式中，σv為鉛垂應力；σh為水平應力；ν為泊松比；H為距自由面鉛直距離。

1.2 開挖模擬

模擬開挖時，賦予開挖部位空模型并獲取開挖表面節(jié)點力{Ft}k(t表示開挖自由面邊界)，開挖單元全部節(jié)點產生的荷載釋放節(jié)點力向量為[4，8]

(2)

將獲取的節(jié)點力{Ft}k按照不同比例a反向作用于開挖界面原節(jié)點位置，余下的節(jié)點荷載(1-a){Ft}k則由圍巖單獨承擔，待模型計算平衡后，在模型開挖面節(jié)點位置施加反向節(jié)點荷載a{Ft}k，同時施加相應支護措施并進一步求解平衡。

2 有限元計算數(shù)值模型建立

2.1 工程依托

某水電站位于我國西南地區(qū)金沙江流域，樞紐工程主要由擋(泄)水建筑物、發(fā)電廠房等組成。輸水發(fā)電系統(tǒng)分布于右岸，包括岸塔式進水口、引水隧洞、尾水隧洞、調壓室、主廠房、母線洞、主變室等。廠址區(qū)山體雄厚，地表基巖裸露，巖體完整性好，根據(jù)廠址區(qū)附近鉆孔和平硐揭露，廠房區(qū)洞室圍巖以厚～巨厚層狀灰?guī)r為主，圍巖類型屬Ⅲ1類，局部節(jié)理密集帶為Ⅲ2類，斷層破碎帶和層間擠壓破碎帶為V類。與輸水發(fā)電建筑物有關的結構面主要為小斷層、層間擠壓破碎帶等少量III級結構面、以及節(jié)理裂隙等IV、V級結構面。地面調查和勘探揭露，灰?guī)r中層間軟弱夾層不甚發(fā)育。

2.2 計算模型及材料參數(shù)

本文選取右岸尾水隧洞典型斷面建立有限元計算模型，模型包括2條內徑為20.6 m的圓形斷面隧洞，軸線間距65 m，模型埋深約為300 m。計算中，取順河向為x軸，橫河向為y軸，豎直向上為z軸建立笛卡爾坐標系，模型單元總計24 585個。整體模型見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

模型整體分3部分開挖(開挖1～3)，隧洞頂拱位置采用中導洞法開挖。有限元計算采用的材料參數(shù)根據(jù)勘測資料取定，弱風化灰?guī)r采用摩爾-庫倫本構模型，噴混凝土及襯砌采用彈性本構模型。有限元計算材料參數(shù)見表1。

表1 有限元計算材料參數(shù)

2.3 計算假定及測點位置

在確定隧洞最佳支護時機時，假設隧洞全斷面一次性開挖。利用FLAC3D內嵌的fish語言，采用應力釋放法[9]，獲取隧洞開挖后圍巖瞬時的開挖荷載等效節(jié)點力，根據(jù)荷載系數(shù)將等效節(jié)點力分為10份(每份10%)，并依次施加。本文對隧洞周邊位置設置多個測點，以監(jiān)測不同荷載釋放率下測點變形變化趨勢。各監(jiān)測點位置見圖2。

圖2 尾水隧洞典型斷面監(jiān)測點布置

2.4 支護措施及相關參數(shù)

依據(jù)設計資料初定如下的支護方案：隧洞頂拱240°和底拱120°分別采用不同支護措施，初期采用噴混凝土加系統(tǒng)錨桿支護，后期采用混凝土襯砌支護。本次模擬中，初期噴混凝土和后期襯砌采用實體單元模擬，錨桿支護等采用結構單元模擬。模型具體支護參數(shù)見表2。

表2 尾水隧洞支護參數(shù)

3 計算結果分析

3.1 初次最佳支護時機確定

將隧洞一次性全斷面開挖，模擬開挖荷載分10期進行釋放，計算得到各測點不同開挖釋放率下變形，見表3。

表3 尾水隧洞不同釋放率下的各測點變形 mm

為更加直觀地表征不同測點變形隨荷載釋放率的變化，繪制開挖荷載釋放率-變形增量關系，見圖3。通過曲線拐點對應的荷載釋放率確定圍巖初期支護最佳時機。從圖3可知，對于尾水隧洞段，隨著荷載釋放率的提高，不同測點的變形均有所增加，當開挖荷載釋放率小于70%時，圍巖變形大致呈現(xiàn)隨著開挖荷載釋放率線性變化，變形增量幾近不變；當荷載釋放率達到70%以后，不同測點的圍巖變形增量顯著的提升。綜上可知，圍巖釋放率在70%左右施加初期支護，對于發(fā)揮圍巖自承能力以及保證圍巖和初期支護的穩(wěn)定性較為有利。因此，本文選取釋放率為70%作為最佳支護時機。

圖3 不同開挖荷載釋放率下特征點圍巖變形增量

3.2 圍巖穩(wěn)定性分析

本文分別計算毛洞開挖和噴錨支護開挖2種工況。在噴錨支護中，每開挖一步進行圍巖應力釋放分析并施加初期支護，待斷面開挖完成后，初期支護施加完畢，進行二次混凝土襯砌施工。

3.2.1 圍巖變形

尾水隧洞圍巖變形結果見表4。從表4可知，毛洞開挖與施加噴錨支護措施后洞室開挖呈現(xiàn)的整體規(guī)律大致相同，均表現(xiàn)為頂拱沉降，底拱隆起，洞室向洞內變形；隨著開挖進程，隧洞洞頂沉降值逐步增大并最終趨于穩(wěn)定，隧洞底部隆起逐步減小。裸洞開挖頂拱最大沉降值為21.55 mm，底拱最大隆起達到17.77 mm；經(jīng)噴錨支護后，洞室開挖階段最大隆起、沉降變形分別為16.61 mm和19.99 mm，相較于毛洞開挖對應值分別減小了4.6%和17.7%。由此可見，噴錨支護能有效改善圍巖整體變形。

表4 不同工況各開挖階段隧洞圍巖變形 mm

3.2.2 圍巖應力

圍巖最大主壓應力見圖4。從圖4可知，隨著洞室開挖進程，洞室周邊局部范圍巖體擾動，呈現(xiàn)圍巖應力重分布現(xiàn)象。由于圍巖應力釋放，在洞周出現(xiàn)一定的拉應力區(qū)。第1步開挖結束，毛洞和噴錨支護洞室最大主壓應力均出現(xiàn)在兩側拱腳位置，最大值分別為26.7 MPa和22.98 MPa，拱頂和拱底主壓應力值較??；隨著后續(xù)開挖步的進行，最大壓應力逐漸轉移至隧洞左右兩側中部圍巖處，且呈紡錘體狀分布，整體應力分布符合洞室開挖一般規(guī)律，相較于毛洞開挖，施加噴錨支護后圍巖整體最大主壓應力均有所降低。

圖4 圍巖最大主壓應力(單位：kPa)

3.2.3 塑性區(qū)

開挖過程中，圍巖塑性破壞形式主要以剪切破壞為主。最終圍巖塑性破壞區(qū)分布見圖5。從圖5可知，塑性破壞區(qū)主要集中于洞周兩側部位，洞室拱頂及拱底位置塑性區(qū)較小，塑性區(qū)整體分布規(guī)律與最大主壓應力分布大致對應。施加噴錨支護后圍巖塑性區(qū)范圍有一定的降低，且塑性區(qū)最大擴展深度約為3 m，小于錨桿的長度9 m。

圖5 最終圍巖塑性破壞區(qū)分布

4 結 語

本文以圍巖特征點變形量為量化指標，采用荷載釋放率法確定某電站尾水隧洞最佳支護時機，并基于此最佳支護時機，對該隧洞進行毛洞開挖和噴錨支護開挖后圍巖整體穩(wěn)定性分析，得出以下結論：

(1)洞室開挖過程洞周應力釋放，圍巖應力出現(xiàn)重分布。為保證圍巖整體穩(wěn)定，同時考慮支護成本和施工工期等多因素，合理支護時機確定至關重要。

(2)隨著圍巖荷載釋放率的增加，洞室最大變形量也有所增加。當圍巖應力釋放率達到70%時，測點變形增量顯著增加。計算發(fā)現(xiàn)，圍巖應力釋放在70%～80%期間為最佳支護時機。

(3)毛洞開挖圍巖整體穩(wěn)定性較差，施加噴錨支護能有效降低圍巖變形和塑性區(qū)擴展深度，改善圍巖整體應力分布。