盧 兵

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 概況

小浪底引黃工程干線隧洞全長59.6km，其中樁號0+000—47+350段為巖石洞，樁號47+350—59+594段為土洞。土洞采用盾構(gòu)法開挖施工，斷面為圓形，內(nèi)徑5.5m。襯砌管片為預(yù)制的寬1.5m、厚0.35m的圓弧狀矩形或梯形混凝土塊，每圈由6片型式各異的管片拼接而成，見圖1所示。為對管片所受到的圍巖壓力以及管片混凝土和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變進行觀測，在樁號52+700斷面處的管片內(nèi)安裝了傳感器，傳感器類型有土壓力計、鋼筋計、應(yīng)變計和測縫計等。

圖1 管片拼接和傳感器安裝位置圖

2 圍巖土壓力特征分析

2.1 圍巖壓力應(yīng)力觀測

盾構(gòu)法是一種先進高效的隧洞開挖工藝，主要適用于松散巖地層內(nèi)的隧洞開挖。盾構(gòu)法施工時襯砌管片是即時安裝的，能夠最大程度保證開挖后圍巖的穩(wěn)定，減小塑性變形，保證施工安全。但由于襯砌管片與圍巖之間存在約15cm的間隙，所以管片與圍巖并不是在第一時間就能夠充分接觸，只有等盾構(gòu)機經(jīng)過后，再進行圍巖與管片間的接觸灌漿，圍巖壓力才能充分施加到管片之上，管片才能真正發(fā)揮支撐作用。

當(dāng)管片與圍巖充分接觸后，洞周土層因應(yīng)力釋放和塑性變形而產(chǎn)生的圍巖壓力就施加到管片上，管片中的各類傳感器就可以觀測到相應(yīng)的變形。圖2是三支分別安裝于洞頂（E201）、洞腰（E202）和洞底（E203）的土壓力計所觀測的圍巖壓力過程線。

圖2 隧洞各部位圍巖壓力過程線

該斷面的管片安裝時間為2017年5月19日，接觸灌漿的時間為6月29日，從過程線可以看出，在接觸灌漿之前，圍巖壓力均在0值附近，即圍巖壓力尚未施加到管片。通常情況下，接觸灌漿24～48h之后即可觀測到圍巖壓力。圍巖壓力的發(fā)展變化過程可分為驟升段、緩升段和平穩(wěn)段三個階段。

2.2 圍巖壓力應(yīng)力分析

從管片各部位的土壓力平穩(wěn)段所達到的壓力特性分析，管片所發(fā)揮的支撐力與灌漿質(zhì)量有較大關(guān)系。由于該斷面管片所預(yù)留的灌漿孔位于洞腰部位，所以洞腰處的圍巖壓力最大達到841.9kPa，洞底處圍壓最大達到452.5kPa，但洞頂圍壓最大僅為179.5kPa。從隧洞各部位圍巖壓力過程線的走勢特征分析，該斷面處的接觸灌漿的漿液到達洞頂較為困難，洞頂管片與圍巖并未充分接觸。

盾構(gòu)法施工的土洞，其圍巖壓力特征符合Terzaghi松散體理論和普氏塌落拱理論，所以可先用Terzaghi和普氏公式計算出最大圍巖壓力，然后用塑性擴展理論的Fenner公式計算出最大支護抗力，用于驗證觀測數(shù)據(jù)。計算公式如下：

式中：Pi——支護抗力，kPa；

P——隧洞周圍地應(yīng)力，kPa；對松散覆蓋層P=γh，h為上覆土層厚度，m；

γ——為上覆土的重量體積比，kN/m3；

H——隧洞高度，圓形洞為直徑，m；

H1——塌落拱高度，m；

r0——隧洞半徑，m；

R0——塑性擴展區(qū)半徑，m；

C——圍巖的凝聚力，kPa；

φ——圍巖的內(nèi)摩擦角，°。

參考該斷面的地質(zhì)資料，上覆土層為低液限粘土、卵石混合土和級配不良砂等，總厚度52m，平均重度為21.5kN/m3，隧洞半徑2.75m，有效應(yīng)力抗剪強度的凝聚力C＇平均為19.8kPa，φ＇平均為15.5°。經(jīng)計算，完全產(chǎn)生塑性擴展后，理論計算的最大圍巖壓力為772.2～863.5kPa，但實際觀測的支護抗力為179.5～841.9kPa。從圍巖壓力過程線分析，圍巖充分塑性擴展的時間在12～14個月。

為探求圍巖壓力與管片中的鋼筋應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，我們首先對比了圍巖壓力與鋼筋應(yīng)力的過程線，參見圖3。

圖3 各部位管片中鋼筋應(yīng)力過程線

從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍巖塑性擴展變形的增加，圍巖壓力及支護抗力的增大，鋼筋應(yīng)力也隨之增大。圍巖的塑性變形充分擴展后的實際觀測的最大鋼筋應(yīng)力達到48.3MPa，圍巖壓力、支護抗力的理論計算值與實際觀測值的對比結(jié)果見表1。

表1 隧洞圍巖壓力、支護抗力的計算值與觀測值對比表

3 結(jié)論

通過對盾構(gòu)法施工的土質(zhì)隧洞圍巖壓力和支護抗力的理論計算，并與觀測數(shù)據(jù)進行了對比分析，可以得出初步結(jié)論：實際觀測的支護抗力最大值略小于理論計算的圍巖壓力值，而平均值比理論值小很多，說明目前隧洞支護處于安全和穩(wěn)定狀態(tài)，同時也說明管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計較為合理，并偏安全。另外可以發(fā)現(xiàn)，影響管片支護抗力的因素包括地質(zhì)因素、隧洞規(guī)模、施工方法和施工質(zhì)量等多個方面，而對本工程而言，較為突出的影響因素有兩個：一是管片與圍巖的接觸緊密程度，即接觸灌漿的質(zhì)量；二是管片制作工藝及材料質(zhì)量。