褚秀軍

(山西省大同市渾源縣水利灌溉服務(wù)中心，山西 大同 037400)

0 前 言

隧洞在施工和運(yùn)營期間經(jīng)常發(fā)生底部上鼓、拱底下沉、開裂以及圍巖變形等問題[1-3]，嚴(yán)重威脅到施工人員的安全并延誤工期，在隧洞運(yùn)行過程中導(dǎo)致行車中斷。關(guān)于深埋輸水隧洞的圍巖-支護(hù)體系安全控制問題，學(xué)者們主要采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)3種手段進(jìn)行了豐富的研究。焦斌權(quán)等人[4]采用數(shù)值模擬的分析方法，就隧道圍巖-支護(hù)體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。張玉偉和王琪[5]研究分析了山嶺隧道施工過程中，不同圍巖條件對支護(hù)體系效果的影響。陳遠(yuǎn)志[6]基于某隧道為研究背景，采用數(shù)值分析方法分析了大跨度隧道圍巖和支護(hù)體系的力學(xué)穩(wěn)定性，并對比了實(shí)測數(shù)據(jù)證明了結(jié)論的正確性。李錚和何川等人[7]又結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的方法，研究分析了在施工過程中，震裂軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其破壞形態(tài)。以上研究缺少對上述綜述內(nèi)容的一個(gè)整體評價(jià)，關(guān)于深埋輸水隧洞的支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較為缺乏，在隧洞設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)規(guī)范中無切實(shí)可行的方法。因此，如何確定深埋輸水隧洞的合理支護(hù)方案以及解決圍巖支護(hù)體系的安全控制問題需要更加深入的研究。

本文以山西中部引黃輸水隧洞工程為研究背景，分析旋噴混凝土、鋼拱架和錨桿支護(hù)下的圍巖支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)時(shí)間對承載力特征，提出圍巖-支護(hù)體系的評價(jià)指標(biāo)，對圍巖-支護(hù)體系的安全穩(wěn)定性及適用性進(jìn)行評價(jià)，以期為類似工程提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 輸水隧洞特征

中部引黃工程是山西省“四大骨干工程”之一。工程引水源為山西保德縣的黃河天橋水電站，輸水隧洞途徑忻州、呂梁、晉中、臨汾四市，規(guī)劃年供水6.02億m3。中部引黃工程是山西輸水線路最長、投資規(guī)模最大、受益人口最多的引水工程。

中鐵二十五局承建的中部引黃工程5標(biāo)段地處保德縣境內(nèi)，全長24.33 km，屬于引黃工程的控制性工程，施工過程中存在隧洞斷面小、坡度大、通風(fēng)難度大，隧洞內(nèi)圍巖地質(zhì)穩(wěn)定低、掌子面小，無法使用大型機(jī)械、施工效率低的施工特點(diǎn)。地質(zhì)勘查表明，隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，圍巖賦存大型溶洞、膨脹巖、突泥突水、斷層破碎帶等不良地質(zhì)，施工難度大、安全系數(shù)低。

1.2 隧洞圍巖支護(hù)工藝

古典壓力理論[1]認(rèn)為支護(hù)上部荷載等同于上覆圍巖失穩(wěn)自重；坍落拱理論認(rèn)為隧道圍巖上方會形成塌落拱[5]，支護(hù)荷載主要來源于拱內(nèi)圍巖自重。隨著能量支護(hù)理論的提出，既有研究開始考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間存在的相互作用和共同變形。工程實(shí)踐中，日本采用可縮式鋼架支撐和8～14.50 m的長錨桿對惠那山隧道進(jìn)行了加固處理，奧地利采用9～12 m長錨桿對阿爾貝格隧道進(jìn)行了加固處理。因此，通過預(yù)留變形量、加強(qiáng)錨桿支護(hù)和襯砌加強(qiáng)等方式可有效控制隧洞圍巖變形。預(yù)留變形量工程經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 預(yù)留變形量工程經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 圍巖-支護(hù)體系安全控制標(biāo)準(zhǔn)

對于深埋輸水隧洞，其圍巖-支護(hù)體系的破壞表現(xiàn)形式在表2中給出。

表2 圍巖-支護(hù)體系的破壞表現(xiàn)形式

關(guān)于圍巖-支護(hù)體系的安全控制指標(biāo)常用的有兩種方法，第一種是根據(jù)圍巖-支護(hù)體系的系統(tǒng)總體位移進(jìn)行控制，其計(jì)算公式如下：

(1)

公式(1)中:Ulimit是圍巖-支護(hù)體系的極限位移，一般取值為圍巖預(yù)留變形量，cm；U為通過監(jiān)測或計(jì)算得到的階段位移,cm。

圍巖-支護(hù)體系的安全控制原則是將圍巖的變形控制在TZ 204-2008《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》[8]規(guī)定的容許范圍內(nèi)，并且建立相關(guān)的隧洞位移分段控制標(biāo)準(zhǔn)，其控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 隧洞位移控制標(biāo)準(zhǔn)

除根據(jù)圍巖-支護(hù)體系的系統(tǒng)總體位移進(jìn)行控制外，另一種控制方法時(shí)根據(jù)圍巖-支護(hù)體系的承載狀態(tài)進(jìn)行控制，其計(jì)算公式如下：

(2)

公式(2)中:Plimit是支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限承載值,MPa；Pi是可以通過監(jiān)測或者計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載值,kN。在工程實(shí)踐中要求支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載值小于極限承載值；并且當(dāng)二次襯砌施工時(shí)間較早時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)Ksupport≧1.0，并且當(dāng)二次襯砌施工時(shí)間較晚時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)Ksupport≧1.2。

2 圍巖-支護(hù)體相互作用分析

本研究基于已有的芬納修正變形壓力公式以及卡柯松動壓力公式給出了一種判斷圍巖支護(hù)體系結(jié)構(gòu)承擔(dān)壓力的計(jì)算公式，其公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

公式(6)中：G為剪切模量，GPa；up′為臨界位移，m。由此可知，當(dāng)u>up′時(shí)，僅考慮圍巖體系松動壓力，符合剛塑性介質(zhì)模型；反之則考慮變形壓力。

本節(jié)以某工程實(shí)際隧洞為例，選取了樁號為DLI20+500.00 m的斷面，基于上述理論公式，研究分析了隧洞的支護(hù)時(shí)間和支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系。該隧洞圍巖類別為Ⅴ類泥質(zhì)巖，該隧洞埋深為600 m，開挖洞徑為10 m，與隧洞相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)在表4中給出，隧洞的支護(hù)相關(guān)參數(shù)在表5中給出。在開挖過程中該隧洞采取了加大預(yù)留變形量和短臺階開挖以及強(qiáng)支護(hù)等措施來確保隧道的安全穩(wěn)定性。

表4 隧洞巖體力學(xué)參數(shù)

表5 隧洞支護(hù)參數(shù)

圖1給出了通過計(jì)算得到的隧洞圍巖的縱向位移曲線和圍巖特征曲線隨不同支護(hù)時(shí)間對應(yīng)的支護(hù)抗力值關(guān)系曲線(X為隧洞拱頂沉降位移，下同)，由圖可知，當(dāng)滯后掌子面1 m開始進(jìn)行支護(hù)施工作業(yè)時(shí)，隧洞的邊界位移為0.074 m，相應(yīng)的隧洞圍巖支護(hù)抗力為2.10 MPa；當(dāng)滯后掌子面5 m開始進(jìn)行支護(hù)施工作業(yè)時(shí)，隧洞的邊界位移為0.132 m，相應(yīng)的隧洞圍巖支護(hù)抗力為0.85 MPa。

圖1 隧洞支護(hù)時(shí)間和支護(hù)強(qiáng)度關(guān)系

圖2給出了讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)作用曲線，可以看出大洞徑的隧洞支護(hù)力和支護(hù)強(qiáng)度要達(dá)到2 MPa以上，但是這一數(shù)值通過旋噴混凝土和錨桿支護(hù)以及鋼拱架是很難實(shí)現(xiàn)的。表5中給出的隧洞3種支護(hù)方式能提供的支護(hù)強(qiáng)度大約為1.35 MPa，結(jié)合現(xiàn)實(shí)工程情況，其整體的承載能力還會有所減小。因此，在工程中經(jīng)常采用強(qiáng)支硬頂并迅速進(jìn)行二次襯砌和讓圍巖發(fā)生充分變形(預(yù)留足夠的變形量，采用讓壓支護(hù)、適當(dāng)延遲支護(hù)時(shí)間)兩種方式來解決初期支護(hù)強(qiáng)度不足的問題。

圖2 讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)作用曲線

根據(jù)JT/TD70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》可以確定不同支護(hù)形式對應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度比值關(guān)系。在VZ-B型支護(hù)中，旋噴混凝土、錨桿和鋼拱架的剛度比值為20.9∶1.0∶4.25，極限承載比為5∶1∶4。圖3為VZ-B支護(hù)結(jié)構(gòu)作用曲線圖，由圖3可知，在對隧洞進(jìn)行支護(hù)處理(滯后掌子面5 m開始進(jìn)行支護(hù)施工作業(yè))后，當(dāng)隧洞邊界位移為0.138 m時(shí)，旋噴混凝土支護(hù)方式最先達(dá)到承載極限值0.65 MPa，此時(shí)鋼拱架和錨桿支護(hù)的承載值分別為0.15 MPa和0.04 MPa。此時(shí)，整個(gè)支護(hù)體系的承載力為0.84 MPa小于所需要的隧洞圍巖支護(hù)抗力0.85 MPa，因此圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)，安全系數(shù)(承載狀態(tài)安全系數(shù)0.84/0.85=0.99)是小于1.0的，不滿足圍巖-支護(hù)體系的安全穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 VZ-B型支護(hù)結(jié)構(gòu)作用曲線

由上述內(nèi)容可知，支護(hù)體系由于旋噴混凝土的剛度遠(yuǎn)大于其余兩種方式，從而最先達(dá)到破壞，進(jìn)而使得整個(gè)體系無法滿足承載狀態(tài)安全穩(wěn)定。但是，在實(shí)際現(xiàn)場施工作業(yè)時(shí)，混凝土的剛度和強(qiáng)度隨時(shí)間增加而不是趨于穩(wěn)定。針對此現(xiàn)象，本節(jié)簡單考慮了旋噴混凝土的彈性模量剛度折減值為0.7，給出了考慮旋噴混凝土彈模折減后的支護(hù)結(jié)構(gòu)作用曲線。由圖4可知，考慮混凝土彈模折減后，鋼拱架和錨桿支護(hù)作用的承載比增大，其比例為旋噴混凝土∶鋼拱架∶錨桿=11.5∶4.0∶1.0。此時(shí)，旋噴混凝土、鋼拱架和錨桿支護(hù)的承載值分別為0.59、0.22和0.05 MPa。通過計(jì)算可得：Ksupport=1.13、Krock-support=1.07，即支護(hù)體系承載安全指標(biāo)和圍巖變形收斂安全指標(biāo)分別是1.13、1.07。這一數(shù)值大于1，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，此種方式的隧洞支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

圖4 旋噴混凝土彈模折減后支護(hù)結(jié)構(gòu)作用曲線

3 結(jié) 論

本研究以山西中部引黃輸水隧洞工程為例，對比分析了旋噴混凝土、鋼拱架和錨桿3種支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖支護(hù)效果的影響，并評價(jià)了圍巖-支護(hù)體系的安全穩(wěn)定性，形成結(jié)論如下：

(1) 結(jié)合圍巖-支護(hù)體系的破壞原因，提出了總體位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力的評價(jià)指標(biāo)，并對圍巖-支護(hù)體系安全性進(jìn)行評價(jià)。針對大洞徑的隧洞支護(hù)，通過旋噴混凝土和錨桿支護(hù)以及鋼拱架是很難保證隧洞穩(wěn)定性。采用強(qiáng)支硬頂并迅速進(jìn)行二次襯砌、圍巖發(fā)生充分變形可有效解決初期支護(hù)強(qiáng)度不足的問題。

(2) 在VZ-B型支護(hù)中，在滯后掌子面5 m距離對隧洞進(jìn)行支護(hù)處理時(shí)，加固后整個(gè)支護(hù)體系的承載力小于所需要的隧洞圍巖支護(hù)抗力0.85 MPa，圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)，不滿足圍巖-支護(hù)體系的安全穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 在隧洞初期支護(hù)時(shí)通過調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)可使得各支護(hù)方式發(fā)揮更好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，增加體系的結(jié)構(gòu)承載能力。