楊賜金

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000)

水工隧洞是一種廣泛應(yīng)用于市政、能源和水利工程等許多國民經(jīng)濟領(lǐng)域的地下結(jié)構(gòu)物.確定襯砌結(jié)構(gòu)所承載的圍巖壓力是隧洞設(shè)計的重點基礎(chǔ)工作之一.筆者以新疆某砂礫石土洞為例，通過對圍巖釋放比的控制模擬，研究該類水工隧洞設(shè)計優(yōu)化的方法.

1 工程概況

新疆某隧洞洞身段主要位于砂礫石地層內(nèi)，隧洞全長1.8 km，隧洞縱坡為1/1 000，為無壓明流隧洞，馬蹄形斷面，洞徑6.2 m.洞身段圍巖主要由中更新統(tǒng)沖積砂礫石層(Qal2)組成，結(jié)構(gòu)密實，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1.上覆土層厚50～68 m，地下水位低于隧洞底板，成洞條件差，圍巖類別為Ⅴ類，穩(wěn)定性差，且圍巖內(nèi)可能分布有松散的砂層透鏡體，巖石堅固系數(shù) f為 0.73，單位抗力系數(shù) K0為 100～200 N/cm3，縱波速 Vp為1 000 ～1 200 m/s.

表1 巖土主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2 隧洞優(yōu)化設(shè)計方法

根據(jù)文獻［1］規(guī)定，對于能形成塌落拱的土洞，作用在土洞襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力(荷載)可按松動介質(zhì)平衡理論估算圍巖壓力，而且土洞的襯砌結(jié)構(gòu)計算，一般不考慮支護結(jié)構(gòu)的作用，只是將其作為安全儲備，全部荷載均由襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān).若支護結(jié)構(gòu)控制住變形，即洞周土體變形達到基本穩(wěn)定，可視具體情況適當(dāng)減少襯砌結(jié)構(gòu)所承受的土壓力.那么，確定支護承擔(dān)的土壓力比例有利于隧洞的設(shè)計優(yōu)化.

隧洞支護斷面距離開挖掌子面的距離越大，則支護斷面處圍巖釋放的應(yīng)力越大，作用到支護上的荷載越小，支護結(jié)構(gòu)也偏于經(jīng)濟.與此同時，由于圍巖不可能是絕對的均質(zhì)體，則支護斷面距開挖掌子面距離越大造成塌方冒頂?shù)娘L(fēng)險越大.就無膠結(jié)砂礫石地層圍巖而言，因其泊松比較大，無粘聚力，圍巖應(yīng)力釋放快，更容易產(chǎn)生破壞性變形.如何選取相對經(jīng)濟和安全的支護參數(shù)就成為需要進一步研究的課題.

2.1 支護受力計算

砂礫石作為散粒體結(jié)構(gòu)，臨空面不存在彈性狀態(tài)，從掌子面開挖到支護過程段，塑性區(qū)可能迅速發(fā)展并變化到危險的松動狀態(tài).要發(fā)揮圍巖的自承能力，需從以下2方面考慮:一方面不能讓圍巖進入松動狀態(tài)，以保持圍巖的自承力;另一方面又必須允許圍巖進入一定程度的塑性，以使圍巖自承力得以最大限度的發(fā)揮［2］.

塑性區(qū)的發(fā)展變化是一個初期應(yīng)變和應(yīng)力(或強度)同向增長，后期應(yīng)變增長而應(yīng)力(強度)逐漸降低的過程.為保證隧洞結(jié)構(gòu)安全，并使結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟性，就需要合理確定支護參數(shù).能使隧洞圍巖維持極限平衡狀態(tài)下的支護抗力即為最優(yōu)支護，該支護抗力可由文獻［3］中芬納公式求得:

式中:Pi為維持極限平衡狀態(tài)所需的支護抗力，MPa;C為圍巖巖體或土體的粘聚力，MPa;r0為開挖半徑，m;φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°);R0為對應(yīng)Pi的塑性區(qū)半徑，m;R為對應(yīng)Pi的松動區(qū)半徑，m.

2.2 優(yōu)化分析

由于支護至開挖掌子面間裸洞是因隧洞圍巖的應(yīng)力釋放特性而保持自身穩(wěn)定的，可認(rèn)為該段裸洞承擔(dān)了未釋放部分的應(yīng)力，而支護設(shè)置也以承擔(dān)該部分應(yīng)力為依據(jù).如果在跟進支護距離允許范圍內(nèi)設(shè)置適宜的支護，即可認(rèn)為該范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力不再進一步釋放，支護的設(shè)計可按照未釋放部分應(yīng)力進行(應(yīng)適當(dāng)預(yù)留安全余度;在襯砌設(shè)計時，按規(guī)范不考慮支護作用，該部分應(yīng)力轉(zhuǎn)由襯砌承擔(dān)).

根據(jù)三維有限元法計算的馬蹄形斷面開挖面的空間釋放效應(yīng)可取得未釋放部分的圍巖應(yīng)力，利用開挖面的空間效應(yīng)，得出計算斷面至掌子面的距離與計算斷面應(yīng)力釋放的關(guān)系，未釋放的部分可認(rèn)為是圍巖提供給計算斷面的剩余支護抗力.計算斷面的應(yīng)力釋放系數(shù)取為A，則Pi= (1 －A)P，將 Pi=(1 －A)P代入公式(2)可得

將該工程隧洞砂礫石地層相關(guān)參數(shù)代入公式(4)，可求得不同釋放系數(shù)時塑性區(qū)及破壞區(qū)的特征半徑，見表2.

表2 圍巖受力分區(qū)計算成果

對于無膠結(jié)砂礫石隧洞，因其不具有膠結(jié)性，在輕微的擾動情況下即有可能造成掉塊、坍塌等現(xiàn)象.另外，計算結(jié)果表明，無膠結(jié)砂礫石圍巖內(nèi)雖存在塑性區(qū)，但塑性區(qū)與破壞區(qū)的過渡帶非常狹窄，必須采取措施限制其塑性區(qū)的發(fā)展.該工程擬選用塑性區(qū)為零時的條件以降低施工難度，即取A=0.588作為施工控制參數(shù).應(yīng)用該控制參數(shù)，即可由圖1計算得到施工控制的支護面與掌子面之間的距離.

圖1 理想的應(yīng)力釋放關(guān)系曲線

根據(jù)擬定的支護至掌子面的距離，由下式推求支護處等效荷載釋放系數(shù)

式中:A為計算斷面的荷載釋放系數(shù);A0為開挖掌子面處的荷載釋放系數(shù);L為計算斷面至掌子面的距離，m;g 可近似取 0.7r0.

根據(jù)以上的分析計算，將擬定計算斷面處的荷載釋放系數(shù)作為確定量，在公式(5)中L即計算斷面至掌子面的距離，就是該式中唯一的未知量.經(jīng)計算，可得L=0.2D=1.52 m，施工中可控制一次支護距掌子面距離不大于1.50 m，并根據(jù)具體施工情況予以調(diào)整.假定掘進速度以等速推進，還可求得支護相對于開挖掌子面的合理滯后時間.

3 結(jié)語

通過對砂礫石土洞圍巖特性分析，確定支護施作時圍巖應(yīng)力釋放比為58%，支護施工期承載42%圍巖壓力，并最終由襯砌承擔(dān).按此設(shè)計思路進行隧洞設(shè)計，最終襯砌厚度為50 cm，較不做優(yōu)化的設(shè)計方案襯砌結(jié)構(gòu)減薄37.5%，降低工程總投資約17%.目前，工程已投入運行近3年，運行情況良好，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益.

筆者所提出的計算方法雖已得到工程實例驗證，但仍有其局限性:①研究主要針對特定對象進行，而該工程地下水埋藏較深，沒有地下水的影響.若地下水高于隧洞底板，將顯著改變砂礫石圍巖的工程特性，此種情況建議仍按照散體理論坍落拱計算襯砌受力;②與無膠結(jié)砂礫石圍巖不同，對有膠結(jié)的軟巖隧洞則可利用中后期的塑性變形，可選擇破壞區(qū)半徑略小于開挖半徑的參數(shù)作為控制條件.

［1］水利部東北勘測設(shè)計研究院.SL 279—2002水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［2］張作光.瓦屋山水電站引水隧洞施工期圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.成都:四川大學(xué)，2006.

［3］徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.