石廣斌,魏娟盆,肖清,張雯,來顯杰

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

隨著我國經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)和“一帶一路”的發(fā)展,在資源開發(fā)、水利水電、交通等基礎(chǔ)設(shè)施方面的投資力度和建設(shè)規(guī)模越來越大,使得在施工建設(shè)中遇到不良地質(zhì)條件隧洞的概率增加,對(duì)隧洞開挖施工造成了挑戰(zhàn).隧洞在穿越破碎圍巖、斷層、軟硬巖接觸地段、節(jié)理裂隙發(fā)育巖體等不良地質(zhì)時(shí),往往會(huì)發(fā)生較大變形、軟巖流變、突涌水等現(xiàn)象,若處理不當(dāng),容易造成坍塌、冒頂?shù)仁鹿?一旦發(fā)生事故,不僅造成工程施工困難,延誤工期進(jìn)度,而且整治時(shí)費(fèi)用高、難度大,更重要的是可能會(huì)造成人員傷亡,給工程建設(shè)帶來更大困難.因此,不良地質(zhì)的軟巖隧洞在開挖過程中所產(chǎn)生的工程問題越來越被國內(nèi)外專家重視.

隧洞在施工過程中發(fā)生大變形破壞是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,在這個(gè)過程中,圍巖的巖性、工程地質(zhì)條件、隧洞斷面形狀及尺寸、施工技術(shù)和支護(hù)方式等都會(huì)影響隧洞圍巖的穩(wěn)定性.國內(nèi)外學(xué)者在軟巖隧洞變形破壞上,主要從典型案例、巖性、工程地質(zhì)條件、數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)研究等方面進(jìn)行了研究,在軟巖隧洞破壞機(jī)理和泥巖特殊性質(zhì)方面也取得了大量成果.軟巖隧洞變形破壞的典型案例有木寨嶺隧道、惠那山隧洞、兩水隧道、二郎山隧道等[1-2],在這些隧道大變形控制和治理技術(shù)中都采用了底板仰拱的設(shè)計(jì),并發(fā)現(xiàn)仰拱矢跨比對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定非常敏感.馬曉文等[3]研究分析了泥巖隧道圍巖在不同軟化系數(shù)與軟化深度下仰拱的位移及應(yīng)力變化規(guī)律,認(rèn)為軟化系數(shù)與軟化深度對(duì)泥巖隧道的仰拱受力有較大影響;丁冬冬等[4]通過對(duì)寶蘭客專上莊隧道仰拱底鼓變形現(xiàn)象研究,發(fā)現(xiàn)泥巖軟化后,仰拱下部塑性區(qū)范圍明顯增加,仰拱拱底同一深度處的豎直位移遠(yuǎn)大于軟化之前的位移;隋毅等[5]通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)研究了某高鐵隧道底板隆起變形的成因及變形規(guī)律;劉恒顯等[6]通過對(duì)蘭州某公路黃土隧道進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,分析研究了隧道仰拱結(jié)構(gòu)受力特性,結(jié)果表明當(dāng)仰拱拱高達(dá)到1.88 mm時(shí),可滿足該隧道最大安全系數(shù)的要求;林越翔等[7]利用動(dòng)力有限元理論,研究了隧道仰拱在不同矢跨比、仰拱厚度和填充層厚度的條件下對(duì)重載鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征的影響;孔恒等[8]分析隧道底板隆起的表現(xiàn)形式、物理成因和力學(xué)原因,得出隧道底板底鼓的分類形式;康紅普等[9]認(rèn)為底板巖層的撓曲、偏應(yīng)力作用及泥巖遇水軟化是軟巖巷道底鼓的主要原因;樊純壇等[10]通過對(duì)寶蘭客專魏家嘴隧道的圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、初支與二襯接觸壓力等的研究分析,得出隧道變形和襯砌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài);黃華等[11]對(duì)隧道仰拱底鼓提出力學(xué)模型和數(shù)值模型研究,得出仰拱底鼓量隨著圍巖等級(jí)的增加而增加,隨著仰拱跨度的增加而增加,隨著矢跨比增加而減小,其減小幅度也逐漸減小.

既有研究表明,隧洞底板設(shè)置仰拱對(duì)底鼓的治理很有效,且矢跨比對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響較敏感,但是針對(duì)仰拱矢跨比對(duì)泥巖隧洞的圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響規(guī)律研究較少.因此,本文以印度尼西亞的佳蒂格德水電站引水隧洞工程為背景,研究仰拱矢跨比對(duì)泥巖隧洞的圍巖變形及應(yīng)力分布的影響規(guī)律,提出泥巖隧洞矢跨比的合理范圍及佳蒂格德水電站引水隧洞仰拱矢跨比最優(yōu)值,為佳蒂格德水電站引水隧洞或類似工程的支護(hù)提供參考.

1 工程背景

佳蒂格德水電站引水隧洞從調(diào)壓井底部至岔洞長710 m,開挖直徑約5.8 m,大約有三分之二的隧洞埋深超過了50 m,在泥巖、巖層分界帶及角礫巖等不良地質(zhì)條件下進(jìn)行施工(佳蒂格德軟巖隧洞地質(zhì)縱剖面如圖1所示).在隧洞開挖卸荷過程中,隨時(shí)都有發(fā)生塌方、突泥的可能,隧洞在初期支護(hù)后有很大的收縮變形,一些位置邊墻收縮量超過1 m,頂板下沉30 cm,底鼓75 cm,初期支護(hù)的鋼拱架及混凝土發(fā)生了大變形,甚至導(dǎo)致初期支護(hù)破壞(佳蒂格德軟巖隧洞底板隆起變形現(xiàn)場如圖2所示).2018年10月10日至2019年12月2日,隧洞開挖到掌子面樁號(hào)PS0+290 m處,發(fā)生了3次涌水、塌方、突泥和變形等地質(zhì)災(zāi)害.經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,隧洞初期支護(hù)后仍有較大變形的主要原因是在發(fā)生涌水、塌方、突泥地質(zhì)災(zāi)害后,水的滲入使泥巖軟化,降低了圍巖強(qiáng)度.

圖1 佳蒂格德軟巖隧洞地質(zhì)縱剖面

圖2 隧洞底板變形現(xiàn)場

通過室內(nèi)試驗(yàn)得到發(fā)生涌水、塌方、突泥前后的泥巖具體物理力學(xué)參數(shù),如表1所示.

表1 泥巖的物理力學(xué)參數(shù)

隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表2所示.

表2 隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)

2 隧洞圍巖側(cè)壓力系數(shù)反演

佳蒂格德引水隧洞的側(cè)壓力系數(shù)是通過鉆孔壓力試驗(yàn)得到的估計(jì)值,為0.6～1.5,沒有準(zhǔn)確的值.因此,按照實(shí)際工程建立隧洞相似仿真模型,假設(shè)PS0+290 m處圍巖的側(cè)壓力系數(shù)λ為0.6,0.9,1.2,1.5分別進(jìn)行模擬計(jì)算.模型隧洞中心到地表距離為108 m,隧洞寬度為6.30 m,高度為6.34 m,模型邊界尺寸為100 m×100 m,平底馬蹄形隧洞計(jì)算模型如圖3所示.隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示,巖體與混凝土采用平面應(yīng)變單元,鋼拱架采用植入式梁單元,間距為0.75 m,錨桿采用植入桁架單元,長錨桿直徑D為25 mm,長度l為4.5 m,間距為1.0 m×1.0 m;短錨桿直徑D為25 mm,長度l為3.0 m,間距為0.5 m×0.5 m,圍巖采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型.混凝土標(biāo)號(hào)為C25,厚度為20 cm.由于隧洞在施工時(shí)出現(xiàn)了突泥和涌水,對(duì)泥巖有軟化作用,經(jīng)現(xiàn)場取樣試驗(yàn),在隧洞徑向3 m深的范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)采用表1中涌水后的參數(shù),其余的圍巖參數(shù)取涌水前的參數(shù),支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取表2所示的參數(shù).

圖3 隧洞圍巖計(jì)算模型

圖4 隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)

PS0+290 m兩邊墻和頂板的現(xiàn)場時(shí)序監(jiān)測位移與不同側(cè)壓力系數(shù)的模擬計(jì)算位移的對(duì)比分析如圖5和圖6所示.

圖5 PS0+290 m兩邊墻水平收斂時(shí)序監(jiān)測位移與不同側(cè)壓力系數(shù)的數(shù)值計(jì)算位移對(duì)比

圖6 PS0+290 m頂板垂直沉降時(shí)序監(jiān)測位移與不同側(cè)壓力系數(shù)的數(shù)值計(jì)算位移對(duì)比

由圖5和圖6可知:PS0+290 m處兩邊墻的相對(duì)位移于2020年6月15日后基本收斂至115.00 mm,而數(shù)值模擬計(jì)算中,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ為1.2時(shí),兩邊墻相對(duì)位移的結(jié)果為115.27 mm,計(jì)算值與實(shí)測值的誤差約為0.23%;PS0+290 m處頂板垂直位移于2020年5月15日后基本收斂至9.80 mm,而數(shù)值模擬計(jì)算中,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ為1.2時(shí),頂板垂直位移為9.17 mm,計(jì)算值與實(shí)測值的誤差約為6.43%.因此,佳蒂格德水電站引水隧洞PS0+290 m處圍巖的側(cè)壓力系數(shù)λ可以近似定為1.2.

3 仰拱矢跨比優(yōu)化分析

3.1 擬定計(jì)算分析方案

為了研究仰拱矢跨比對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的影響,在側(cè)壓力系數(shù)為0.6,0.9,1.2,1.5時(shí),分別取隧洞仰拱矢跨比(仰拱矢高H與隧洞底板跨度L之比)為0,1/12,1/10,1/9,1/8,1/7,1/6這7種情形計(jì)算圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形情況.由于現(xiàn)場采用的支護(hù)方案出現(xiàn)了大變形破壞,該模擬支護(hù)方案在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上,將底板水平支撐改為仰拱,鋼支撐間距改為0.5 m,開挖支護(hù)方式改為上、下兩階段開挖和支護(hù).矢跨比為1/10時(shí),隧洞圍巖模型如圖7所示,隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖8所示.

圖7 H/L=1/10時(shí),隧洞圍巖模型

圖8 H/L=1/10時(shí),隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

3.2 分析與討論

3.2.1 圍巖變形的變化規(guī)律分析

在不同仰拱矢跨比條件下對(duì)隧洞上、下階段進(jìn)行支護(hù)后,分析隧洞主要部位的圍巖變形規(guī)律,并討論圍巖在設(shè)置仰拱和不設(shè)置仰拱時(shí)的變形機(jī)理.隧洞完成支護(hù)后底板圍巖垂直隆起變形規(guī)律如圖9所示.

圖9 底板圍巖最大垂直隆起變形

由圖9可知,隧洞底板設(shè)置仰拱可以明顯減小底板圍巖的垂直隆起變形.仰拱矢跨比為1/12與不設(shè)置仰拱相比,底板垂直隆起變形減少了57%～65%;在矢跨比為1/12～1/7時(shí),隨著仰拱矢跨比的增加,底板最大垂直隆起變形逐漸減小,其減少率小于仰拱矢跨比為0和1/12時(shí)的減少率;在矢跨比大于1/7時(shí),底板最大垂直隆起變形規(guī)律不再明顯.這是因?yàn)椴辉O(shè)仰拱時(shí),底板支護(hù)結(jié)構(gòu)受到圍巖抬升力的作用,使底板中心受到較大的負(fù)彎矩,底板支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖水平壓力作用下,若底板不發(fā)生向上隆起,不會(huì)產(chǎn)生彎矩,一旦底板產(chǎn)生向上的隆起變形,就會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩,且隨著隆起變形的增加而增加,較大的負(fù)彎矩會(huì)使底板支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上的撓曲變形;而底板設(shè)置仰拱時(shí),底板支護(hù)結(jié)構(gòu)受到圍巖抬升力的作用,使底板中心受負(fù)彎矩,但是底板仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖水平壓力作用下會(huì)產(chǎn)生正彎矩,相互抵消可以減小底板所受的負(fù)彎矩,從而達(dá)到控制底板隆起變形的效果.

頂板圍巖垂直沉降變形規(guī)律如圖10所示.由圖10可知,隧洞底板設(shè)置仰拱對(duì)頂板圍巖的垂直沉降變形的影響較小,無明顯的規(guī)律性,這是因?yàn)楦淖兊装逯ёo(hù)形式對(duì)頂板圍巖受力特征影響不大.

圖10 頂板圍巖最大垂直沉降變形

邊墻圍巖水平收斂變形規(guī)律如圖11所示.由圖11可知,隧洞底板設(shè)置仰拱可以明顯減小邊墻圍巖的水平收斂變形.仰拱矢跨比為1/12與不設(shè)置仰拱相比,邊墻水平收斂變形減少了50.0%～72.5%;當(dāng)矢跨比大于1/12時(shí),矢跨比對(duì)邊墻水平收斂變形的影響較小.當(dāng)矢跨比為0時(shí),若底板支護(hù)結(jié)構(gòu)不發(fā)生大變形,底板可以承載較大水平壓力,使邊墻水平收斂變形較小;若底板在下部圍巖的反力和水平壓力共同作用下發(fā)生較大變形,底板可以承載的水平壓力較小,從而使邊墻水平收斂變形增加.

圖11 邊墻圍巖最大水平收斂變形

綜上分析可知,設(shè)置仰拱不僅可以有效控制隧洞底板的垂直隆起變形,同時(shí)也可以明顯控制邊墻的水平收斂變形,即控制邊墻的變形破壞.

3.2.2 圍巖塑性區(qū)最大深度變化規(guī)律分析

在不同仰拱矢跨比條件下完成隧洞上、下階段的支護(hù)后,對(duì)隧洞圍巖最大塑性區(qū)深度的變化規(guī)律進(jìn)行分析.隧洞底板圍巖塑性區(qū)最大深度變化規(guī)律如圖12所示.

圖12 隧洞底板圍巖塑性區(qū)最大深度

由圖12可知,隧洞底板塑性區(qū)最大深度隨矢跨比的增加而減小,這說明隧洞底板設(shè)置仰拱可以有效減小底板圍巖的塑性區(qū)范圍.隧洞上階段完成支護(hù)后,當(dāng)矢跨比為0～1/7時(shí),塑性區(qū)深度基本呈線性減小,矢跨比大于1/7時(shí)減小速度有放緩趨勢;下階段完成支護(hù)后,由于第一次開挖存在干擾,規(guī)律性不明顯,但總體規(guī)律與上階段一致.

隧洞邊墻和頂板圍巖塑性區(qū)最大深度的變化規(guī)律如圖13所示.由圖13可知,隨矢跨比增加,隧洞邊墻圍巖塑性區(qū)最大深度變化的幅度較小.這說明隧洞底板設(shè)置仰拱對(duì)頂板和邊墻圍巖塑性區(qū)范圍的影響較小.

圖13 隧洞邊墻和頂板圍巖塑性區(qū)最大深度

因此,設(shè)置仰拱可以減小底板圍巖塑性區(qū)的范圍,同時(shí)對(duì)頂板和邊墻圍巖塑性區(qū)范圍擴(kuò)展具有一定的抑制作用.

3.2.3 仰拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律分析

隨著隧洞的開挖、支護(hù)及至隧洞穩(wěn)定,隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)也會(huì)不斷發(fā)生變化.在不同側(cè)壓力系數(shù)的情況下,隨著仰拱矢跨比的增加,隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律如圖14所示(壓應(yīng)力為“-”,拉應(yīng)力為“+”).

圖14 混凝土應(yīng)力變化規(guī)律

由圖14可知,底板混凝土在不設(shè)置仰拱時(shí)存在受拉的狀態(tài),不設(shè)仰拱時(shí)整體混凝土的最大主應(yīng)力小于設(shè)置仰拱時(shí)的最大主應(yīng)力,但均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度;頂板混凝土最小主應(yīng)力均為受壓狀態(tài),最大主應(yīng)力在設(shè)置仰拱時(shí)有所增加,其中在側(cè)壓力系數(shù)為1.5時(shí),頂板混凝土最大主應(yīng)力有超過混凝土抗壓強(qiáng)度的情況出現(xiàn).

隧洞下階段完成支護(hù)后,鋼支撐最大壓應(yīng)力變化規(guī)律如圖15所示.整體支護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼支撐受壓狀態(tài)較多,且壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力,因此,在這里僅分析鋼支撐的軸向最大壓應(yīng)力.由圖15可知,底板不設(shè)置仰拱時(shí)鋼支撐的最大壓應(yīng)力小于設(shè)置仰拱時(shí)的最大壓應(yīng)力,且在矢跨比為1/12～1/7時(shí)鋼支撐的最大壓應(yīng)力變化很小,在側(cè)壓力系數(shù)為1.5時(shí),鋼支撐的最大壓應(yīng)力有超過其屈服強(qiáng)度的情況出現(xiàn).

圖15 隧洞下階段完成支護(hù)后,鋼支撐最大壓應(yīng)力變化規(guī)律

側(cè)壓力系數(shù)為1.2時(shí),圍巖與初襯間的接觸壓應(yīng)力如圖16所示.由圖16可知,底板圍巖與混凝土間的接觸壓應(yīng)力在拱腳處最大,在拱中最小;整體上,上階段完成支護(hù)后上底板的接觸壓應(yīng)力大于下階段完成支護(hù)后下底板的接觸壓應(yīng)力.接觸壓應(yīng)力在矢跨比為0時(shí)最小,證明在底板不設(shè)置仰拱時(shí),底板混凝土支護(hù)力較差.

圖16 λ=1.2時(shí),圍巖與混凝土間的接觸壓應(yīng)力

3.3 實(shí)際工程最優(yōu)矢跨比確定

隧洞的開挖支護(hù)不僅要保證圍巖穩(wěn)定,而且要有利于施工和經(jīng)濟(jì)性,隧洞矢跨比過大會(huì)使開挖量和支護(hù)面積增大,造成建設(shè)費(fèi)用增加,而且過大的矢跨比使隧洞底板不能直接通車,還要對(duì)底板進(jìn)行回填,因此,矢跨比的設(shè)置必須兼顧造價(jià)和施工條件.通過分析圍巖變形和塑性區(qū)最大深度隨矢跨比的變化規(guī)律,得出隧洞矢跨比應(yīng)設(shè)置為1/12～1/7;由混凝土應(yīng)力和圍巖與混凝土間的接觸壓應(yīng)力隨矢跨比的變化規(guī)律,得出隧洞矢跨比應(yīng)設(shè)置為1/10～1/8,最后再綜合考慮開挖量和施工的便利性,得出佳蒂格德引水隧洞最優(yōu)矢跨比為1/10.

4 結(jié)論

1)對(duì)于地下水水位較高的泥巖隧洞(道),其底板應(yīng)設(shè)置仰拱.因?yàn)橛矌r的圍巖壓力主要集中于隧洞(道)頂部,而泥巖遇水軟化后具有流變性,圍巖壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)分布比較均勻,隧洞(道)底板也受到較大的圍巖壓力,底板設(shè)置仰拱能夠?qū)鷰r壓力轉(zhuǎn)化為支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向力,進(jìn)而控制圍巖變形.

2)理論上圍巖壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)均勻分布時(shí),隧洞(道)支護(hù)結(jié)構(gòu)越接近于圓形,其支護(hù)力越好,但實(shí)際圍巖壓力是不均勻作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的,其最優(yōu)的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)為橢圓形.佳蒂格德水電站泥巖引水隧洞反演的側(cè)壓力系數(shù)為1.2,隧洞兩側(cè)的圍巖壓力大于頂、底板壓力,所以其支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)近似于長軸為水平向的橢圓形,模擬計(jì)算的結(jié)果也證明了該結(jié)論.當(dāng)矢跨比為1/6時(shí),其支護(hù)結(jié)構(gòu)更接近于圓形,但支護(hù)效果較矢跨比為1/7時(shí)差.

3)隧洞底板的垂直隆起變形和邊墻的水平收斂變形以及塑性區(qū)變化與仰拱矢跨比存在相關(guān)性,由此確定佳蒂格德水電站泥巖隧洞底板的仰拱矢跨比宜為1/10～1/8.

4)所確定的佳蒂格德水電站泥巖段引水隧洞矢跨比和支護(hù)方案,經(jīng)現(xiàn)場實(shí)施后,圍巖變形和破壞得到了有效控制.