張清泉

(中國中鐵二局第二工程有限公司，四川成都 610031)

復(fù)雜條件下隧洞及圍巖的穩(wěn)定性備受關(guān)注，尤其是大埋深、大斷面及破碎圍巖的情況下，隧洞極易發(fā)生大變形甚至塌方，而采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)手段對控制變形有著重要的意義［1］。本文以錦屏二級水電站引水隧洞為工程實(shí)例，采用有限差分軟件FLAC3D對超深埋大斷面軟巖隧洞初期支護(hù)作用進(jìn)行三維模擬分析，在探討超深埋隧洞開挖及支護(hù)模擬技術(shù)的同時(shí)，對鋼拱架、噴砼和系統(tǒng)錨桿這三種支護(hù)手段在高地應(yīng)力破碎圍巖條件下的支護(hù)效果進(jìn)行對比分析。

錦屏二級水電站(裝機(jī)容量480×104kW)位于四川省涼山州雅礱江的錦屏大河灣上，截彎取直，開鑿4條引水隧洞引水發(fā)電。隧洞橫穿錦屏山脈，位于已建二級水電站輔助隧洞線北側(cè)(圖1)，洞線平均長度約16.67 km，洞徑13～14.6 m，主要采用鉆爆法施工。引水隧洞上覆巖體一般埋深1500～2000 m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點(diǎn)，為超深埋特長大斷面隧洞群工程［2］。

引水隧洞軟巖段主要揭露里程為引(1)1+536 m 和引(2)1+613 m，該段埋深1500～1800 m，圍巖以綠泥石片巖為主，Ⅳ～Ⅴ級［3］。考慮4%的預(yù)留變形量后的開挖洞徑為13.8～14.6 m，典型斷面開挖形狀及初期支護(hù)見圖2 所示。由于水工隧洞砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制的特殊要求(必須先施工底拱砼后施工邊頂拱砼，且底拱砼未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前嚴(yán)禁行車)及施工作業(yè)采用大型機(jī)械設(shè)備，從而導(dǎo)致無法采用短臺階法進(jìn)行施工，這對初期支護(hù)有了更高的要求，必須保證隧洞的長期穩(wěn)定。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

FLAC3D程序是目前巖土力學(xué)計(jì)算中的重要數(shù)值方法之一，由美國ITASCS 公司推出，用于模擬三維巖土體或其他材料力學(xué)特性，已廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)、隧道工程、礦山工程等領(lǐng)域［4］。

圖2 引水隧洞典型斷面

1.1 模型及邊界條件

根據(jù)錦屏引水隧洞軟巖段實(shí)際開挖情況，建立14.3 m洞徑的三心圓模型，計(jì)算模型范圍為水平方向－100≤x≤100，豎直方向－100≤z≤100，縱向方向0≤y≤60。取土體屈服服從Mohr－Coulomb 準(zhǔn)則［5］～［8］。為模擬超深埋高地應(yīng)力條件，將模型6個(gè)側(cè)面均施加法向位移約束(圖3)，模型頂面(z=100)至底面(z=－100)施加初始地應(yīng)力為39.15～46.98 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1，以模擬1500～1800 m 埋深環(huán)境。數(shù)值分析中，以八節(jié)點(diǎn)六面體zone 單元模擬圍巖，以beam 單元模擬型鋼拱架，以shell 單元模擬噴砼，以cable 單元模擬全長粘結(jié)型系統(tǒng)錨桿，支護(hù)模型見圖4 所示。采用的H20 型鋼拱架間距1m，系統(tǒng)錨桿間距1m 并以長短相結(jié)合方式布置［9］～［13］。

圖3 模型邊界

圖4 支護(hù)模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料及綠泥石片巖的強(qiáng)度試驗(yàn)，選擇軟巖力學(xué)模擬參數(shù)見表1 所示。根據(jù)現(xiàn)場采用的H20 型鋼拱架，Φ32 系統(tǒng)錨桿，CF30(硅粉鋼纖維)噴砼，查找相關(guān)材料參數(shù)后，擬定的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表2～表4 所示。

表1 圍巖力學(xué)模擬參數(shù)

表2 H20 型鋼拱架模擬參數(shù)

表3 系統(tǒng)錨桿模擬參數(shù)

表4 噴砼模擬參數(shù)(CF30、C30 砼)

1.3 模擬工況及測點(diǎn)布置

結(jié)合現(xiàn)場施工，采用上下臺階法開挖，上下臺階開挖高度分別為9.4 m 和4.9 m。先進(jìn)行上臺階的開挖及支護(hù)，全部開挖完成后再進(jìn)行下臺階的開挖及支護(hù)，施工進(jìn)度為每循環(huán)1 m，開挖后即上支護(hù)，根據(jù)模型縱向長度(0≤y≤60)，上下臺階均需要60個(gè)循環(huán)來完成開挖。布置2個(gè)測點(diǎn)于y=30 m 的拱頂和邊墻位置，模擬過程中通過記錄每循環(huán)開挖后測點(diǎn)的位移來評價(jià)不同支護(hù)組合及參數(shù)時(shí)的作用效果［14］。隧洞開挖模型及測點(diǎn)布置詳見圖5。

圖5 隧洞掘進(jìn)循環(huán)及測點(diǎn)布置

計(jì)算過程模擬超深埋軟巖隧洞開挖采用無支護(hù)、單一支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)方式，計(jì)算分析了9 種工況，如表5 所示。工況Ⅰ為無支護(hù)形式，工況Ⅱ～Ⅳ為單一支護(hù)形式，工況Ⅴ～Ⅵ聯(lián)合支護(hù)形式。其中工況Ⅲ中，E28(CF30)和E3(CF30)表示采用硅粉鋼纖維噴砼，分別按28 d 和3 d 彈性模量計(jì)算;E3(C30)表示采用普通砼并按3 d 彈性模量計(jì)算。工況Ⅳ中，錨桿6/9 m 和12/18 m 表示長短結(jié)合方式布置。通過各工況的模擬，以分析不同支護(hù)方式下抑制變形的效果。

表5 模擬工況

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 無支護(hù)及單一支護(hù)

圖6 顯示了模擬高地應(yīng)力軟巖隧洞開挖時(shí)無支護(hù)和僅采用單一支護(hù)方式時(shí)拱頂及邊墻的位移計(jì)算結(jié)果。在上臺階開挖過程中(開挖步0～60)，拱頂變形略大于邊墻，其中工況Ⅱ和工況Ⅲ－1 時(shí)的主要變形發(fā)生在測點(diǎn)離掌子面－10～10 m(開挖步20～40)的開挖過程中，而工況Ⅰ和工況Ⅳ－1 發(fā)生在開挖步20～60，即整個(gè)上臺階的開挖過程中變形未出現(xiàn)收斂跡象;下臺階開挖時(shí)(開挖步60～120)，測點(diǎn)變形相對平緩，僅邊墻變形有所增加，且最終累計(jì)變形與拱頂相當(dāng)。從圖中可看出，無支護(hù)和僅采用錨桿支護(hù)時(shí)(工況Ⅰ和工況Ⅳ－1)，測點(diǎn)變形較大(20～22 cm)，且在上下臺階的開挖過程中變形均未出現(xiàn)收斂的跡象，說明僅采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)對抑制變形的作用并不明顯。采用單一的型鋼拱架或者噴砼支護(hù)時(shí)，測點(diǎn)最大變形收斂于10～12 cm，且噴砼(采用CF30 并按28 d 強(qiáng)度計(jì)算)支護(hù)效果最好，這兩種支護(hù)方式抑制變形的效果明顯強(qiáng)于系統(tǒng)錨桿。

圖6 無支護(hù)及單一支護(hù)時(shí)拱頂及邊墻位移

2.2 不同噴砼強(qiáng)度

圖7 中噴砼計(jì)算采用的是硅粉鋼纖維砼28 d 的強(qiáng)度參數(shù)。由于噴砼具有較高的早期強(qiáng)度，噴射后不久就開始發(fā)揮作用，因此在計(jì)算噴砼支護(hù)特征曲線時(shí)多采用砼的早期強(qiáng)度值［15］。為了解不同強(qiáng)度噴砼對抑制變形的影響，在工況Ⅲ－1 的基礎(chǔ)上，通過改變噴砼參數(shù)分別計(jì)算了工況Ⅲ－2(采用CF30 噴砼3 d 強(qiáng)度)和工況Ⅲ－3(采用C30 噴砼3 d 強(qiáng)度)。從計(jì)算結(jié)果可看出這三種工況下測點(diǎn)變形的趨勢基本一致，測點(diǎn)主要變形發(fā)生在開挖步20～40。工況Ⅲ－3 效果相對較差，但最大變形仍較采用H20 型鋼拱架要小(工況Ⅳ－1)，與工況Ⅲ－1 比較，測點(diǎn)最大變形也僅增大了不到2 cm，說明即便采用普通C30 噴砼支護(hù)，對控制圍巖變形也是比較有效的。

2.3 不同錨桿長度

圖8 中工況Ⅳ－1 顯示了采用6/9 m 長短結(jié)合系統(tǒng)錨桿時(shí)對抑制變形的效果并不明顯，因此，為保證錨桿深入圍巖以發(fā)揮較好的錨固的作用，在工況Ⅳ－1 的基礎(chǔ)上改變錨桿長度為9/18 m 長短結(jié)合(工況Ⅳ－2)?？梢钥闯?，即使增加的錨桿的長度，測點(diǎn)的變形趨勢基本未發(fā)生變化，在上下臺階開挖過程中均反映出變形不收斂的特征，且最大變形值接近20 cm，因此，一方面說明系統(tǒng)錨桿對控制超深埋軟弱圍巖變形的作用有限，同時(shí)也說明了系統(tǒng)錨桿超過一定長度后，其作用并不增強(qiáng)。

圖7 不同噴砼強(qiáng)度時(shí)拱頂及邊墻位移

圖8 不同錨桿長度支護(hù)時(shí)拱頂及邊墻位移

2.4 聯(lián)合支護(hù)

圖9 顯示了采用聯(lián)合支護(hù)措施時(shí)測點(diǎn)隨開挖步的變形曲線。可看出測點(diǎn)變形規(guī)律與工況Ⅲ－1 十分接近，即聯(lián)合支護(hù)對抑制圍巖變形的作用并未疊加。說明在超深埋條件下，支護(hù)對抑制軟巖變形的作用有限，高地應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致軟巖在形成穩(wěn)定的拱部效應(yīng)前不可避免發(fā)生較大的變形，支護(hù)對圍巖拱部效應(yīng)的形成具有重要的意義，是圍巖變形侵限前充分發(fā)揮自承能力的保證。盡管聯(lián)合支護(hù)與單一噴砼支護(hù)在抑制變形效果上相差不明顯，但并不能否認(rèn)拱架和系統(tǒng)錨桿的作用。實(shí)際開挖過程中，尤其是圍巖破碎洞段，拱架和噴砼對抑制松動圈的擴(kuò)大發(fā)展，防止因圍巖變形脫落而引發(fā)的安全隱患等具有重要的作用。

圖9 聯(lián)合支護(hù)時(shí)拱頂及邊墻位移

3 結(jié)論

本文結(jié)合錦屏二級水電站引水隧洞軟巖段設(shè)計(jì)與施工，采用有限差分法程序FLAC3D對超深埋軟巖隧洞初期支護(hù)的作用進(jìn)行了三維模擬。探討了不同支護(hù)類型及參數(shù)時(shí)，隧洞拱頂和邊墻的變形的特征，并得出了以下結(jié)論:

(1)錦屏引水隧洞軟巖段掌子面拱頂及邊墻變形主要發(fā)生在距掌子面前后10 m 的開挖過程中，噴砼和拱架應(yīng)盡早施作，系統(tǒng)錨桿不宜落后掌子面10 m 施工;

(2)無支護(hù)或僅采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)時(shí)，隧洞將出現(xiàn)較大變形且不收斂，而噴砼或者拱架支護(hù)對抑制軟巖變形效果較好;

(3)噴砼對控制超深埋軟巖變形的作用最強(qiáng)，采用20 cm 厚普通C30 噴砼的效果仍好于H20 型鋼拱架。系統(tǒng)錨桿的作用最弱，無法保證圍巖變形收斂;

(4)聯(lián)合支護(hù)對抑制圍巖變形的作用并不疊加，其支護(hù)意義在于采用合理的支護(hù)結(jié)合形式，控制圍巖在一定范圍內(nèi)變形的同時(shí)，保證施工安全和避免侵限的發(fā)生。

［1］陳壽根.洞松水電站軟巖大變形引水隧洞施工技術(shù)開發(fā)中期研究報(bào)告［R］.西南交通大學(xué)，2011

［2］楊家松，陳壽根，陳亮，等.超深埋大斷面特長隧道群施工關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.中鐵二局，西南交通大學(xué)，等，2012

［3］馮夏庭，周輝.西端引水隧洞綠泥石片巖地層大變形洞段若干工程問題的研究報(bào)告［R］.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2009

［4］彭文斌.FLAC3D 實(shí)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007

［5］Y.Jiang，H.Yoneda，Y.Tanabashi.Theoretical estimation of loosening pressure on tunnels in soft rocks［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2001，16:99－105

［6］C.J.Lee，B.R.Wu，H.T.Chen，K.H.Chiang.Tunnel stability and arching effects during tunneling in soft clayey soil［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21:119－132

［7］郭建卿.數(shù)值模擬軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究［J］.焦作工學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，22(5):338－340

［8］張向東，張虎偉，阮劍劍.軟巖巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)及支護(hù)效果分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(3):67－73

［9］Zulfu Gurocak，Analyses of stability and support design for a diver-sion tunnel at the Kapikaya dam site，Turkey［J］.Bull Eng Geol Environ，2011，70:41－52

［10］H.Basarir，A.Ozsan，M.Karakus.Analysis of support requirements for a shallow diversion tunnel at Guledar dam site，Turkey［J］.Engineering Geology，2005，81:131－145

［11］郭中海，張伐，李國富.極軟巖巷道的數(shù)值模擬技術(shù)研究［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(20):25－29

［12］C.O.Aksoy，K.Ogul，I.Topal，S.C.Ozer，V.Ozacar，E.Posluk.Numerical modeling of non－deformable support in swelling and squeezing rock［J］.International Journal of Rock Mechanics ＆Mining Sciences，2012，52:61－70

［13］C.N.Chen，C.T.Tseng.2D tunneling chart from redistributed 3D principal stress path.Tunnelling and Underground Space Technology［J］，2010，25:305－314

［14］黃文彥.巖石隧道掘進(jìn)引致應(yīng)力調(diào)整及地拱發(fā)展之研究［D］.臺灣:國立臺灣科技大學(xué)，2007

［15］關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993