水工隧洞施工對圍巖變形影響分析

陸 亮，王成華

(山東潤泰水利工程有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

受施工過程圍巖應力重分布的影響，隧道掘進過程中其圍巖會產生一定的變形，嚴重影響結構穩定性，圍巖的受力及變形特性對引水隧洞施工過程的穩定性及安全性影響顯著，近年來，許多專家學者針對TBM掘進隧道的圍巖變形及穩定性開展相關研究。

楊延棟[1]建立盾構隧道圍巖穩定性評價模型，對盾構開挖過程中的隧道圍巖穩定性進行分析，結果表明，該方法的識別準確性較高、應用范圍較廣。劉遠程等人[2]以某盾構隧道工程為研究對象，開展回彈試驗，分析施工過程中圍巖的變形及強度特性，結果表明，盾構施工的前期，圍巖的變形量較大。孫文君等人[3]以某隧道工程為研究對象，分析掘進方向對圍巖水平變形的影響規律，結果表明，圍巖變形與土石交界的傾角呈正相關關系。白偉等人[4]以某盾構隧道為研究對象，基于修正Peck公式，對隧道掘進施工過程中的地表沉降進行計算，結果表明，地表沉降與拱頂埋深間呈正相關關系。楊平等人[5]以某地鐵工程為研究對象，建立其隧道三維數值分析模型，分析掘進過程中的變形規律，結果表明，隧道埋深為3D時，地表沉降有最小值。

本研究以某引水隧洞施工為研究對象，對施工過程的圍巖變形進行監測，分析圍巖變形規律及變形速度，提出具有針對性的隧洞圍巖支護建議。

1 工程概況

以某引水隧洞為研究對象，工程建設內容包括引水、加壓、輸水等，工程輸水線路總長34.97km，主要由取水口、引水隧洞、加壓泵站、高位水池、輸水隧洞、出水池、輸水明渠和涵管、出口防洪閘等建筑物組成，輸水隧洞施工難度最大、技術要求高，所穿地區破碎帶多、多處低矮沖溝部位圍巖風化程度高，巖體破碎，巖石強度低，成洞條件差，洞身極不穩定，掘進過程中多次遭遇較大破碎帶，施工進度緩慢。取水口設計引水規模為20m3/s，引水管道長度約2.9km，加壓泵站最大揚程43m，設計總裝機10800kW，輸水隧洞總長約27.58km，輸水明渠總長3.67km，線路總長約34.15km。

2 引水隧洞圍巖監測點布設

圍巖的受力及變形特性對引水隧洞施工過程的穩定性及安全性影響顯著，為分析引水隧洞掘進過程中圍巖的變形規律，在隧洞頂部布設3個監測點，如圖1所示。

圖1 圍巖監測點布設

選取該引水隧洞的K54+534～K45+702段進行監測，此段隧洞圍巖的物理力學性質見表1。

表1 圍巖的物理力學性質

隧道的圍巖支護為Ⅳ類圍巖支護體系，支護參數見表2。施工掘進過程中，隧道上部的圍巖變形有最大值，對于拱頂變形監測(H點)，監測點布設間距為5m，圍巖兩側的變形較小(A點、B點)，監測點布設間距為20m。

表2 支護參數

3 圍巖變形規律

根據引水隧洞圍巖監測點的布設情況，選取4個斷面(K45+701.92、K45+681.48、K45+669.74、K45+638.50)對A點、B點的圍巖變形進行監測，斷面1的圍巖變形曲線如圖2所示。

圖2 A點、B點斷面1的圍巖變形曲線

由圖2可知，隨著施工過程的進行，A點、B點的圍巖累計變形逐漸增大，說明施工過程會影響隧道圍巖的變形情況，其中，A點的累計變形量大于B點，在施工的前期，二者間的累計變形差距較小，隨著施工過程的進行，二者間的差距逐漸增大，累計時間為70h時，A點、B點的圍巖累計變形差距為5.5mm，隨后二者間的圍巖累計變形差距逐漸趨于穩定，說明引水隧洞的圍巖變形具有不對稱性，變形以隧洞右側為主。分析監測點的圍巖變形速度可得，引水隧洞的圍巖變形主要分為3個階段，當時間為0～30h時，A點、B點的圍巖變形速度較快，與累計時間呈正相關關系，時間為30h時，A點、B點變形速度有最大值，分別為24.7、12.9mm/d；累計時間為30～70h時，A點、B點的變形速度與累計時間呈負相關關系，此時引水隧洞的圍巖變形速度逐漸減緩；時間大于70h時，A點、B點的變形速度差距較小，變形速度的變化趨勢較為平緩，保持在2～2.5mm/d，說明施工的前期，施工過程對于引水隧洞圍巖變形的影響較大，隨著施工過程的進行，圍巖變形逐漸趨于平緩。綜合分析可得，引水隧洞的圍巖變形主要分為3個階段，分別為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段。

斷面2的A點、B點圍巖變形曲線如圖3所示。

圖3 A點、B點斷面2的圍巖變形曲線

由圖3可知，該斷面的圍巖變形規律與斷面1具有一致性，引水隧洞的圍巖變形主要分為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段；隨著累計時間的增大，A點、B點的圍巖累計變形逐漸增大，施工前期，圍巖變形增長較快，隨著施工過程的進行，圍巖變形增長趨勢逐漸趨于平緩，A點的圍巖累計變形小于B點，該斷面的圍巖變形以右側為主。對比兩個斷面的最大累計變形可得，斷面1的最大圍巖累計變形小于斷面2，說明不同斷面位置的圍巖變形情況存在一定的差異性。

斷面3的A點、B點圍巖變形曲線如圖4所示。

圖4 A點、B點斷面3的圍巖變形曲線

由圖4可知，隨著累計時間的增大，A點、B點的累計變形存在一定的波動性，累計時間大于70h時，引水隧洞的累計變形變化趨勢較為平緩，變形波動范圍在1mm以內。在施工前期，A點、B點的累計變形速度增長顯著，二者間的差異較為明顯，累計時間為30h，二者間的變形速度差值有最大值，為1.2mm/d，隨著時間的增大，二者間的變形差異逐漸減小。累計時間為270mm時，B點的累計變形有最大值，為7mm，遠小于截面1與截面2的最大累計變形，說明此處的圍巖受力及變形情況與其余斷面存在差異性[6-7]。

斷面4的A點、B點圍巖變形曲線如圖5所示。

圖5 A點、B點斷面4的圍巖變形曲線

由圖5可知，該斷面的圍巖變形規律與其余斷面具有一致性，隨著累計時間的增大，A點、B點的圍巖累計變形逐漸增大，施工前期，變形增長速度較快，隨著時間的增大，當時間大于70d時，A點、B點的圍巖累計變形逐漸趨于平緩，二者間的圍巖變形差值約為5.2mm。綜合以上分析可得，不同斷面的圍巖變形規律具有一致性，在施工過程中，A點、B點的圍巖變形主要分別為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段。處于急劇變形階段時，引水隧洞圍巖的變形增長趨勢顯著，該階段的累計時間較短，這一階段為引水隧洞施工的前期，此時隧洞開挖導致其圍巖受力情況發生變化，導致引水隧洞的變形較為劇烈，為減少該階段的變形，可采用錨桿、鋼筋掛網等支護措施。處于快速變形階段時，引水隧洞的變形速率逐漸減小，此時，隨著施工過程的進行，圍巖的受力情況逐漸穩定，施工前期所采用的支護措施效果良好，可有效抑制圍巖變形的發展情況，此階段，可采取噴射混凝土層的方案，進一步控制引水隧洞施工過程中的圍巖變形。處于緩慢變形階段時，引水隧洞圍巖的變形逐漸趨于平緩，為圍巖變形的末期，此階段應持續對圍巖變形進行監測，發現變形異常立即采用噴射混凝土措施進行加固。

根據引水隧洞圍巖監測點的布設情況，選取8個截面(K45+585.9、K45+579.8、K45+573.2、K45+567.1、K45+561.3、K45+555.8、K45+551.3、K45+547.8)對H點的圍巖變形進行監測，圍巖變形曲線如圖6所示。

由圖6可知，除斷面1外，各斷面的圍巖變形規律具有一致性，累計變形與時間呈正相關關系，其中，截面8的圍巖累計變形有最大值，截面3的圍巖累計變形有最小值；而截面1的圍巖累計變形呈先增大后減小再增大的趨勢。對比A點、B點與H點的圍巖累計變形可得，H點的圍巖變形與A點、B點的變形具有一致性，施工的前期，其圍巖變形增長趨勢顯著，隨著時間的增大，圍巖累計變形逐漸趨于平緩，H點的圍巖變形也可分為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段，可根據不同階段的圍巖變形特征，采取不同的圍巖支護方案，以控制引水隧洞施工過程中的圍巖變形。

4 結論

本文以某引水隧洞TBM施工為研究對象，對隧洞施工過程中圍巖變形進行監測，分析圍巖變形規律。結果表明本隧洞圍巖變形總體分急劇變形階段、快速變形階段和緩慢變形3個階段。急劇變形階段時圍巖變形增長趨勢顯著，隧洞開挖導致圍巖受力情況發生變化，可采用錨桿、鋼筋掛網等支護措施；快速變形階段時圍巖變形速率逐漸減小，施工前期所采用的支護措施效果良好，可采取噴射混凝土措施控制圍巖變形；緩慢變形階段時圍巖變形速率逐漸趨于平緩，應持續對引水隧洞的圍巖變形進行監測，對于變形異常的部位，及時采取加固措施。受監測斷面及監測點數量限制，研究結果尚需要更多監測數據驗證。