(寧夏水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750002)

1 工程背景

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程輸水隧洞有12座，總長達(dá)37.076km，隧洞工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越的地層主要為白堊系、第三系軟弱巖石和第四系松散層。

隧洞圍巖主要工程地質(zhì)特性如下：

a.白堊系泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為0.6～13MPa，第三系泥巖和砂質(zhì)泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于1MPa，屬極軟巖或軟巖，且易于軟化，水的作用對其力學(xué)強(qiáng)度影響明顯。

b. E2s1砂質(zhì)泥巖、礫巖遇水易崩解，耐久性低，比較而言K1n、K1m2泥巖耐久性稍好。兩者均具有失水干裂的不良特性。

c.在保持天然含水狀態(tài)或三維應(yīng)力條件下，巖體具有較高的強(qiáng)度。

該工程隧洞穿越的巖體親水性強(qiáng)，具有重塑性、脹縮性、崩解性、流變性和大變形等特點(diǎn)，尤其是第三系泥巖等軟弱巖體，斷層帶、擠壓破碎帶和節(jié)理密集帶等破碎巖體，本身強(qiáng)度低，在地下水的作用下強(qiáng)度將進(jìn)一步顯著下降，而在隧洞開挖時出現(xiàn)明顯的擠壓變形或塌方，屬于不受結(jié)構(gòu)面控制的整體破壞形式，變形和塌方的范圍、規(guī)模可能較大。擠壓變形難以穩(wěn)定，施工過程中容易引起隧洞的失穩(wěn)和破壞，不及時處理塌落高度會逐漸加大，甚至出現(xiàn)冒頂，嚴(yán)重威脅施工安全和進(jìn)度，并可能影響隧洞的長期穩(wěn)定性。

2 軟弱圍巖隧洞一次支護(hù)措施及安全性評價

輸水隧洞為無壓輸水隧洞,設(shè)計流量3.0m3/s，設(shè)計比降i=1/2750。隧洞采用馬蹄形斷面，斷面尺寸主要由施工要求控制，頂拱半徑1.15m，圓心角180°；最大凈高2.45m，最大凈寬2.30m，設(shè)計水深1.48m。

2.1 一次支護(hù)設(shè)計

輸水隧洞采用新奧法的原則設(shè)計及施工，支護(hù)型式及設(shè)計參數(shù)依據(jù)工程地質(zhì)勘察成果，并結(jié)合已建地下工程，運(yùn)用工程類比法確定，主要采用錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、鋼拱架以及局部管棚的組合形式，圍巖力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力值及隧洞采用的支護(hù)方式見表1～表3，各圍巖洞段典型斷面的開挖及一次支護(hù)型式見圖1～圖3。

表1 隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 鉆孔地應(yīng)力測試成果

地應(yīng)力量值總體上表現(xiàn)為隨深度有所增加，但變化梯度較?。慌c計算的垂向應(yīng)力相比，三向主應(yīng)力的關(guān)系基本表現(xiàn)為SH≥Sv>Sh。表明測區(qū)附近現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力作用強(qiáng)度不高。最大水平主應(yīng)力方向為NNE—NE。

表3 隧洞一次支護(hù)參數(shù)

圖1 Ⅲ類圍巖洞段隧洞典型斷面(B2型)開挖支護(hù)圖(埋深約150m;單位：mm)

圖2 Ⅳ類圍巖洞段隧洞典型斷面(C3型)開挖支護(hù)圖(埋深約310m;單位：mm)

圖3 Ⅴ類圍巖洞段隧洞典型斷面(D2型)開挖支護(hù)圖(埋深約185m;單位：mm)

2.2 圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全評價標(biāo)準(zhǔn)

參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)，對隧洞、洞室周邊允許相對收斂值的規(guī)定見表4。相關(guān)表述為：洞室現(xiàn)場監(jiān)控量測的周邊位移，應(yīng)結(jié)合圍巖地質(zhì)條件、洞室規(guī)模和埋深、位移增長速率、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀況等進(jìn)行綜合評判。當(dāng)位移增長速率無明顯下降，而此時實(shí)測的相對收斂值已經(jīng)接近表4中規(guī)定的數(shù)值，同時噴射混凝土表面已出現(xiàn)明顯裂縫，部分錨桿實(shí)測拉力值變化已超過拉力設(shè)計值的10%時，或者實(shí)測位移收斂速率出現(xiàn)急劇增長時，則應(yīng)立即停止開挖，采取補(bǔ)強(qiáng)措施，并調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工程序。

表4 隧洞、洞室周邊允許相對收斂值 單位：%

注1. 洞周相對收斂量是指兩測點(diǎn)間實(shí)測位移值與兩測點(diǎn)間距離之比，或拱頂位移實(shí)測值與隧道寬度之比。

2. 脆性圍巖取小值，塑性圍巖取大值。

3. 表中數(shù)據(jù)適用于高跨比0.8～1.2、埋深小于500m，且其跨度分別不大于20m(Ⅲ級圍巖)、15m(Ⅳ級圍巖)和10m(Ⅴ級圍巖)的隧洞洞室工程。否則應(yīng)根據(jù)工程類比，對隧洞、洞室周邊允許相對收斂值進(jìn)行修正(見圖4)。

圖4 洞周典型位移監(jiān)測點(diǎn)位置

2.3 一次支護(hù)設(shè)計數(shù)值模擬

2.3.1 計算程序

Phase2是加拿大Rocscience公司基于二維有限元原理開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的巖土工程分析程序，其內(nèi)置多種形式錨桿(如端錨、全黏結(jié)錨桿、水脹式錨桿等)和支護(hù)結(jié)構(gòu)單元(如梁單元、噴混單元、鋼筋網(wǎng)單元、鋼拱架單元、鋼格柵拱架單元等)，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各類工程分析中，特別是地下開挖支護(hù)工程，有許多成功應(yīng)用的案例。

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua )軟件是為地質(zhì)工程應(yīng)用而開發(fā)的連續(xù)介質(zhì)顯式有限差分計算軟件三維版。該軟件主要適用于模擬計算巖土體材料的力學(xué)行為及巖土材料達(dá)到屈服極限后產(chǎn)生的塑性流動，對大變形情況應(yīng)用效果更好。

該工程分別采用Phase2、FLAC3D進(jìn)行隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)核計算分析。

2.3.2 計算模型

2.3.2.1 有限元模型坐標(biāo)軸規(guī)定

取隧洞開挖完成后底部高程最低點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)；X軸為水平方向，與隧洞軸線方向垂直，向右為正；Y軸為豎直方向，向上為正，如圖5所示。

圖5 坐標(biāo)軸規(guī)定示意圖

2.3.2.2 有限元模型計算范圍選取

在巖體中開挖隧洞時，地應(yīng)力二次分布的影響范圍有限，一般在距洞室中心點(diǎn)3～5倍開挖寬度的范圍內(nèi)影響較大。因此，這里在隧洞左、右方沿洞開挖邊界往外延伸4倍開挖寬度，上、下方沿洞開挖邊界往外延伸4倍開挖高度作為模型截取邊界。模型邊界截取示意圖如圖6所示。

圖6 模型邊界截取示意圖

2.3.2.3 二維有限元計算模型網(wǎng)格

采用網(wǎng)格映射劃分技術(shù)建立隧洞Ⅲ類、Ⅳ類及Ⅴ類圍巖洞段典型斷面的二維有限元計算網(wǎng)格圖，計算中考慮了隧洞開挖和支護(hù)的施工過程，擬定不同的施工步，其中Ⅲ類圍巖洞段一次支護(hù)中錨桿為隨機(jī)的，偏安全考慮，計算中不考慮錨桿作用；Ⅴ類圍巖洞段一次支護(hù)中鋼拱架排距為0.8m。

本文以Ⅳ類圍巖(隧洞埋深約310m)為例，其計算模型見圖7。

圖7 隧洞計算模型

2.4 一次支護(hù)設(shè)計數(shù)值模擬結(jié)論

通過數(shù)值模擬可以得出以下結(jié)論：

a.隧洞開挖后山體中的應(yīng)力場會出現(xiàn)調(diào)整，使得隧洞圍巖應(yīng)力出現(xiàn)明顯的變化，出現(xiàn)壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中。

b.隧洞開挖后圍巖巖體整體向洞內(nèi)臨空面變形，位移計算結(jié)果表明：洞室底部位移量最大，側(cè)壁其次，拱頂最小。

c.隧洞開挖支護(hù)前、后位移對比表明：洞室位移增量支護(hù)后大幅度減小，支護(hù)效果明顯。

d.隧洞開挖未支護(hù)下由于洞室圍巖大主應(yīng)力增大和小主應(yīng)力減小，圍巖在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑形破壞，計算的塑性區(qū)厚度和實(shí)測的松弛圈厚度也基本相等；隧洞支護(hù)后圍巖應(yīng)力分布發(fā)生調(diào)整，大主應(yīng)力減小，小主應(yīng)力增大，剪應(yīng)力減小，隨著地應(yīng)力進(jìn)一步釋放，塑性區(qū)范圍基本未進(jìn)一步的發(fā)展，支護(hù)效果良好。

2.5 一次支護(hù)設(shè)計安全性評價

基于數(shù)值計算結(jié)果的收斂變形量，根據(jù)不同初始地應(yīng)力、不同支護(hù)條件下隧洞開挖的圍巖收斂變形計算值，可以得出以下結(jié)論：

a.在隧洞推進(jìn)施工過程中，及時開展收斂變形監(jiān)測非常必要。

b.支護(hù)措施施加得越早，對圍巖的變形抑制效果就越明顯。根據(jù)國標(biāo)，考慮隧洞圍巖發(fā)生塑性屈服，洞周允許相對收斂值取大值，計算結(jié)果表明不同支護(hù)條件下的收斂變形均滿足規(guī)定。

c.支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定分析計算結(jié)果表明：地應(yīng)力完全釋放時錨桿軸力不超過錨桿抗拉強(qiáng)度，錨桿結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定要求；噴混結(jié)構(gòu)單元抗剪及抗彎矩安全系數(shù)均大于1，且基本大于1.4，噴混結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定要求。

d.在支護(hù)條件下，圍巖松弛圈厚度不大且無進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，松弛后的巖體仍具有較高強(qiáng)度，巖體變形穩(wěn)定較快，說明現(xiàn)有的支護(hù)方式能夠滿足規(guī)范要求。

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