胡 睿，嚴新軍，歐陽君，田崇磊

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南長沙410007)

0 引 言

隧洞在開挖初期采用不同的支護方式會使其穩(wěn)定性發(fā)生變化，而對其穩(wěn)定性變化的研究主要分為現(xiàn)場實測[1-2]、理論計算[3-5]、模型試驗[6-7]、有限元模擬[8-9]等多種研究方法。隧洞初期支護的仿真計算一直是隧洞工程領(lǐng)域一個重要的研究方向，隨著計算機和數(shù)值分析技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，眾多學(xué)者對其進行了大量研究并取得了豐碩的成果。吳學(xué)震等[10]根據(jù)錨桿的力學(xué)及變形特性建立了結(jié)構(gòu)模型，研究錨桿加固對隧洞穩(wěn)定性的影響，得出錨桿加固的主要作用在于限制塑性區(qū)圍巖的變形，但對塑性區(qū)邊界的位置以及彈性區(qū)巖體的變形控制效果不明顯；王剛等[11]建立了端錨式錨桿-隧洞圍巖耦合作用的結(jié)構(gòu)模型，得出原巖區(qū)的徑向應(yīng)力隨時間的增大線性增大，切向應(yīng)力隨時間的增大線性減小；王建宇[12]研究不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的圍巖采用錨桿的加固機理，得出鋼拱架是一種被動型結(jié)構(gòu)，所承受的荷載會傳遞到拱腳或墻腳。上述研究在隧洞開挖初期支護施工方面取得了較為豐碩的成果，促進了隧洞支護技術(shù)的發(fā)展，但仍存在一些問題有待研究。首先，只研究了一種支護形式對隧洞穩(wěn)定性的影響；其次，隧洞開挖圍巖類別變化大，不同圍巖間裂縫及塑性區(qū)發(fā)育情況都不相同，故支護方式也會發(fā)生變化，上述研究沒有對比分析不同圍巖類別采用同一方式支護時其穩(wěn)定性變化規(guī)律。因此，有必要開展隧洞開挖初期不同圍巖采用同一支護形式其穩(wěn)定性變化規(guī)律的研究，并對比分析同一圍巖類別不同支護形式的圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律。

本文通過現(xiàn)場巖體試驗得到材料參數(shù)，在有限元強度折減法計算的基礎(chǔ)上，采用Mohr-Coulomb屈服準則，利用通用有限元軟件ABAQUS研究隧洞開挖初期不同圍巖采用不同的支護形式對隧洞穩(wěn)定性的影響程度。

表1 最大試驗壓力下巖體變形統(tǒng)計

表2 現(xiàn)場巖體變形試驗結(jié)果

1 自載式變形試驗

1.1 試驗方案

本次進行巖體原位試驗時，工程正處于施工階段。為了不影響現(xiàn)場施工進度，本次試驗采用基于剛性承壓板變形試驗改進而來的自載式變形試驗方法，試驗所需的外荷載由穿過千斤頂和承壓板固定在巖體內(nèi)部的錨桿提供，具有試驗速度快、準確度高、對施工影響較小等特點。試驗裝置見圖1。試驗采用逐級一次循環(huán)法，分5級加壓。

圖1 自載式巖體變形試驗裝置

根據(jù)工程現(xiàn)場出露的地層巖性，本次試驗在Ⅲ類巖體設(shè)置12個試驗點，Ⅳ類巖體設(shè)置20個試驗點，Ⅴ類巖體設(shè)置4個試驗點，依據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》要求，以4個試驗點為1組，共計9組試驗，具體試驗點布置見圖2。

圖2 現(xiàn)場原位試驗點布置

1.2 試驗結(jié)果

最大試驗壓力下巖體變形統(tǒng)計見表1?，F(xiàn)場巖體變形試驗結(jié)果見表2。綜合表1、2數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及現(xiàn)場工程地質(zhì)條件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，最終將Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類圍巖典型斷面的彈性模量分別取3.5、2.0 GPa和0.9 GPa。

代表性試驗點巖體應(yīng)力-位移關(guān)系見圖3。從圖3可知，各類巖體的變形和模量基本穩(wěn)定，在最大試驗壓力時，巖體的塑性變形量較大。結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件可知，巖性軟硬、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、飽和度、風(fēng)化程度等是影響巖體變形和模量的主要因素。巖性越好，節(jié)理裂隙發(fā)育越少、飽和度越低、風(fēng)化程度越低，巖體的變形越小，模量越大。

圖3 巖體應(yīng)力-位移關(guān)系

圖4 Ⅲ類圍巖等效塑性應(yīng)變

3 計算分析

根據(jù)工程現(xiàn)場巖體試驗成果，各類圍巖有限元計算力學(xué)參數(shù)采用值見表3。

3.1 Ⅲ類圍巖

依據(jù)計算分析，Ⅲ類圍巖等效塑性應(yīng)變見圖4。

表3 圍巖有限元計算參數(shù)

從圖4可知：

(1)Ⅲ類圍巖裸洞安全系數(shù)為3.81，加錨桿后安全系數(shù)為4.0，增加了5%，在施加噴護后安全系數(shù)顯著增大其值大于10。同時施加錨桿和噴護的初期支護安全系數(shù)的變化規(guī)律也是如此。

(2)裸洞和加錨桿時等效塑性應(yīng)變都率先出現(xiàn)在洞室的兩側(cè)，最大值分布于隧洞兩側(cè)。

(3)裸洞破壞時出現(xiàn)的塑性區(qū)明顯大于加錨桿支護的塑性區(qū)，其原因是錨桿起到加筋作用，增加了土體的抗剪能力，在洞室兩側(cè)施加部分錨桿，從而導(dǎo)致塑性區(qū)明顯向下偏轉(zhuǎn)。

(4)加噴護時在靠近頂部的位置上出現(xiàn)最大等效塑性應(yīng)變，此位置較裸洞破壞時相比，更緊靠洞室的最上端處。

3.2 Ⅳ類圍巖

依據(jù)計算分析，Ⅳ類圍巖等效塑性應(yīng)變見圖5。從圖5可知：

圖5 Ⅳ類圍巖等效塑性應(yīng)變

(1)Ⅳ類圍巖裸洞安全系數(shù)為1.83，加錨桿后為2.11，安全系數(shù)提高了15%，施加噴護后安全系數(shù)大于10，施加噴護和錨桿支護后安全系數(shù)也大于10，說明噴護混凝土對于圍巖穩(wěn)定性的提升在這幾種初期支護類型中效果是最明顯的。

(2)Ⅳ類圍巖設(shè)置的錨桿數(shù)量多于Ⅲ類圍巖，且其布置范圍要大于Ⅲ類圍巖，洞室兩側(cè)都布有錨桿。對比加噴護及加噴護和錨桿2種支護形式可以看出，洞室兩側(cè)等效塑性區(qū)明顯收縮。

3.3 Ⅴ類圍巖

依據(jù)計算分析，Ⅴ類圍巖等效塑性應(yīng)變見圖6。從圖6可知：

(1)Ⅴ類圍巖裸洞安全系數(shù)小于1，加錨桿后安全系數(shù)也小于1。對比加鋼拱架及加鋼拱架和錨桿時的2種支護形式可以看出，加鋼拱架和錨桿支護時塑性區(qū)有了明顯的收縮。

(2)Ⅴ類圍巖加噴護后安全系數(shù)為2.63，施加錨桿和噴護后安全系數(shù)為3.01。

(3)Ⅴ類圍巖在開挖初始階段就出現(xiàn)了較大的等效塑性應(yīng)變，其安全系數(shù)小于1.0，意味著隧洞圍巖穩(wěn)定性差，開挖時需要結(jié)合多種初期支護措施施工，并適當(dāng)進行超前支護，以保證隧洞開挖施工安全。

(4)鋼拱架對于塑性區(qū)的限制作用較少，但對于承擔(dān)應(yīng)力起到了一定的作用。

4 結(jié) 論

本文以新疆夏特水電站引水隧洞為例，通過有限元強度折減法，研究隧洞開挖初期不同圍巖采用不同的支護形式對其穩(wěn)定性的影響，得到結(jié)論如下：

(1)加錨桿后，圍巖塑性區(qū)明顯縮小，且隧洞圍巖安全系數(shù)明顯提高了5%～15%，安全系數(shù)增大主要與隧洞圍巖的完整性以及強度有關(guān)。由已建模型可以得出，圓形隧洞的等效塑性應(yīng)變最大值一般出現(xiàn)在隧洞的左右兩側(cè)，故可在此區(qū)域增設(shè)錨桿或增加錨桿長度以達到減小等效塑性應(yīng)變的效果。

圖6 Ⅴ類圍巖等效塑性應(yīng)變

(2)加初期噴護混凝土后，隧洞圍巖安全系數(shù)明顯提高，等效塑性應(yīng)變值明顯減小。隧洞開挖釋放應(yīng)力大部分由噴護的混凝土承擔(dān)，且利用強度折減法進行計算時也更容易收斂，洞室的頂部位移在施加初期噴護混凝土后也隨之大幅度減少。由此可見，噴護混凝土支護對提高圍巖安全系數(shù)的效果明顯。

(3)加噴護混凝土和錨桿與只加噴護混凝土相比，塑性區(qū)范圍減少，安全系數(shù)增加，且隧洞左右兩側(cè)的等效塑性應(yīng)變最大值減?。慌c只加錨桿相比，安全系數(shù)增加較大且計算更容易收斂，等效塑性應(yīng)變的增加也更加緩慢，從而破壞速度減小。

(4)Ⅴ類圍巖的完整性較差，強度低，并且可能存在裂隙發(fā)育延伸及斷層等情況，相較于Ⅲ類、Ⅳ類圍巖開挖需增加更多的支護措施。Ⅴ類圍巖在初期開挖時，可采用設(shè)置鋼拱架與系統(tǒng)錨桿共同作用的方式對其進行初期支護，該組合支護方式極大限制了塑性區(qū)的發(fā)展。同時，此類圍巖在開挖時還需增加超前支護以保證隧洞開挖安全。

(5)塑性區(qū)的發(fā)展路徑基本都是從隧洞左右兩側(cè)開始，逐漸向側(cè)下方發(fā)展，中間貫通后逐漸再向下發(fā)展最后破壞，上部塑性區(qū)發(fā)展的速度要慢于下部，合適的初期支護措施能有效減緩和限制塑性區(qū)的發(fā)展。