樊一平

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

在隧洞開挖過程中，經(jīng)常發(fā)生災害性事故，這會大大影響工期及工程費用， 甚至會危害到施工人員的生命安全。 隧洞塌腔是比較常見的一種隧洞施工事故，本文基于實際工程，通過有限元分析圍巖的變形及隧洞支護過程中各部位應力的變化， 驗證實際工程中支護措施的合理性。

1 研究背景

新疆某輸水工程，全長148km，輸水流量65m3/s，其中140km為無壓隧洞段，主洞隧洞段主要分為鉆爆施工段和TBM施工段。 主洞段全線設11條施工支洞，其中2#施工支洞設在主洞樁號13+500處，該支洞與主洞相交處為TBM1-1與TBM1-2之間的TBM檢修洞段，該支洞長度1729m，綜合坡度約12%，最大埋深200m，襯砌后洞型為城門洞型，主要作為施工機械、車輛的施工通行使用，同時也為主洞施工段排水、通氣、出渣等提供通道， 主洞建成后作為主洞補氣通道進行保留。 2#支洞穿越巖層巖石基本為黑云母石英片巖，支洞穿越圍巖類別有Ⅲ、Ⅳ類，主要以Ⅲ類為主。

在現(xiàn)場施工過程中，2#支洞開挖至樁號1+235～1+240處時，邊、拱頂出現(xiàn)塌腔，頂拱形成了高度3.6～6.3m的塌腔，塌腔體積大致250m3，塌腔最高處在1+240樁號處，塌腔高度6.3m，最大塌腔位置如圖1。 根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)人員查看，此段圍巖較為破碎，為Ⅳ類圍巖。

圖1 樁號1+240處塌腔示意圖

圖2 隧洞斷面結(jié)構(gòu)

樁號1+235～1+240處隧洞埋深約120m， 隧洞形狀城門洞型， 襯砌后斷面尺寸為底寬7.0m， 高度6.8m， 隧洞支結(jié)方式為一次支護+二次襯砌的形式，其中一次支護措施為邊墻、 頂拱施加厚度20cm的C25掛網(wǎng)噴護混凝土， 同時架立I16工字鋼拱架，邊墻、頂拱打設3.0m長φ25砂漿錨桿，錨桿間距1.2m，二次襯砌為厚度40cm的C30鋼筋混凝土。 隧洞斷面結(jié)構(gòu)如圖2。

2 隧洞塌腔的影響因素

2.1 施工影響

輸水工程2#支洞穿越巖層巖石以黑云母石英片巖為主，穿越圍巖類別有Ⅲ、Ⅳ類，主要以Ⅲ類為主。圍巖等級較低， 因此在隧洞開挖過程中要盡量避免過多擾動圍巖，保護圍巖自身承載力，同時要實時支護，讓其與圍巖共同承載，增強隧洞的穩(wěn)定性。

2.2 支護影響

支護反力與圍巖變形之間存在一定關(guān)系： 隧洞開挖初始，圍巖發(fā)生變形，若此時支護則造成支護反力過大，破壞圍巖結(jié)構(gòu)；若支護不及時則會造成圍巖發(fā)生坍塌。因此在隧洞開挖過程中，要使圍巖在保持穩(wěn)定情況下充分釋放應力， 當其應力釋放至較小時便可進行支護。

3 修復措施

本次輸水工程圍巖等級較低，隧洞施工工藝不完善可能會造成洞頂開裂引起下沉，甚至造成塌腔問題，開挖后短時間或變形量小時，初期支護與地層共同承受形變壓力，若支護不及時或支護后變形量過大，巖體松動后會使得荷載加大，由初期支護完全被動地承受松動壓力。 因此，必須保證初期支護的強度和剛度，及時支護，控制變形。同時需要使用噴射混凝土對塌腔部位巖面進行封閉，防止已揭露的圍巖進一步風化、掉塊；塌腔部位應采用加密鋼拱架進行加強支護，拱架之間加強連接，及時噴射混凝土封閉鋼拱架，使其形成整體，待混凝土具有強度后采用相同標號細石混凝土進行分層回填，隨后進行回填灌漿；根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，還需要增加φ25隨機錨桿。

4 有限元模擬設計

為了驗證此塌腔處理措施是否合理， 是否會對原設計一次、二次支護措施產(chǎn)生不利影響，根據(jù)隧洞塌腔受力情況，選取斷面為1+240處塌腔高度最大處斷面進行有限元模擬計算。

本次數(shù)值模擬中回填混凝土、噴護混凝土及二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性介質(zhì)以二維實體單元模擬， 圍巖采用彈塑性Mohr—Coulomb準則模擬其屈服狀態(tài)，拱架采用彈性介質(zhì)以梁單元模擬，錨桿采用彈性介質(zhì)以桿單元模擬。 左右垂直邊界采用水平向約束，底部邊界采用水平及垂直向約束。 計算模型網(wǎng)格如圖3。

圖3 計算模型網(wǎng)格圖

5 計算參數(shù)選取

計算斷面圍巖參數(shù)根據(jù)前期勘探資料如表1，噴護混凝土、 襯砌混凝土和回填混凝土計算參數(shù)按規(guī)范規(guī)定混凝土參數(shù)進行選取，錨桿及I16工字鋼拱架參數(shù)按鋼材進行選取，支護混凝土及錨桿、拱架計算參數(shù)如表2。

表1 圍巖計算參數(shù)

表2 支護措施計算參數(shù)

6 計算結(jié)果

6.1 圍巖變形分析

在隧洞塌腔的過程中首先計算出圍巖初始變形量，模擬隧洞塌腔，計算得到圍巖變形云圖如圖4，圍巖變形最大的位置為塌腔頂部圍巖， 其變形量最大可達0.35cm。 從圖4可看出，深層圍巖變形量比淺層圍巖變形量較小且趨于穩(wěn)定狀態(tài)； 經(jīng)過噴射護混凝土、打錨桿及支拱架之后，可見一次支護圍巖變形量集中在0.17～0.29cm之間， 二次襯砌圍巖變形量集中在0.087～0.14cm之間，塌腔部位填充混凝土后，可見圍巖變形量有明顯減小，基本穩(wěn)定在0.05cm以下，此時圍巖變形量達到有效控制。

圖4 圍巖變形云圖

因此， 通過及時支護圍巖可有效控制其變形，且根據(jù)有限元分析可看出，不同的支護方式可使圍巖變形量達到最大優(yōu)化，使隧洞塌腔問題得到有效解決。

6.2 應力分析

從噴射混凝土應力云圖可看出， 噴射混凝土后隧洞頂部比兩側(cè)噴射混凝土應力大， 應力由隧洞頂部向兩側(cè)逐漸遞增， 直至隧洞拱肩部位達最大應力2.8MPa，此壓應力小于規(guī)范規(guī)定的C25混凝土抗壓強度設計值，并且隧洞兩側(cè)應力分布均勻，在邊墻中部可見明顯的應力集中現(xiàn)象， 但此時應力與頂部相比小很多，最小僅1.944kPa。 隧洞頂部與左右邊墻交接部位應力值存在明顯差異， 左半邊墻應力值明顯大于右半邊墻，這與現(xiàn)場實際情況相符，這是因為實際工程中隧洞左邊圍巖相較于右邊圍巖等級較高，在巖性強度不同情況下，噴射等量混凝土，可見其承受應力也達到不同效果。

圖5 計算應力云圖

從I16工字鋼拱架應力云圖中可看出，I16工字鋼拱架最大應力21.95MPa；觀察錨桿應力云圖，可以發(fā)現(xiàn)錨桿最大應力64.36MPa， 并且最大應力小于規(guī)范規(guī)定的三級鋼允許抗壓、抗拉強度設計值，這說明此時塌腔區(qū)域錨桿承擔了部分承載力的作用， 并且根據(jù)錨桿應力圖所示，錨桿應力呈現(xiàn)對稱分布；二襯混凝土最大應力1.02MPa，最大應力小于規(guī)范所規(guī)定的C30混凝土抗壓強度設計值。

根據(jù)應力有限元分析， 隧洞頂板處承受應力較大，因此容易造成隧洞塌腔事故。 通過噴射混凝土、采用加密鋼拱架、打入錨桿等措施，可將其承受應力能力大幅度增加，從2.8MPa增至64.36MPa，這對塌腔安全問題的正確處理提供了寶貴的參考依據(jù)。

7 結(jié)語

（1）根據(jù)計算，塌腔處理后一次、二次襯砌的應力值均在規(guī)范允許強度設計值以內(nèi)， 說明所采取的塌腔處理措施是合適的。

（2）計算時塌腔回填材料參數(shù)選用的是C25混凝土參數(shù)，已對鋼支撐及噴護混凝土產(chǎn)生較大壓應力，建議塌腔回填時采用密度較小且能保證強度的材料。

（3）為了減少塌腔回填材料對于一次支護措施的不利影響，應該保證回填質(zhì)量，為塌腔回填材料與巖壁之間提供足夠的摩擦力及黏結(jié)力， 一定要保證后期回填灌漿質(zhì)量。