裴江榮，劉立鵬，汪小剛

(中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

0 引 言

深埋軟巖隧洞在建造過程中易發(fā)生大變形問題，如家竹菁隧道、烏鞘嶺隧道、木寨嶺隧道以及奧地利陶恩隧道、日本惠那山隧道等[1]。大變形下圍巖的穩(wěn)定控制一直是水利水電、公路、鐵路等行業(yè)的傳統(tǒng)難題。圍巖變形量級大、時效長，支護力不足時需重新支護，支護力過大則會極大增加建設(shè)成本，支護參數(shù)選取不合理，會使工期、建設(shè)費用以及后期維護頻次等均遠超預期[2]。大量研究學者就軟巖大變形發(fā)生機理、判據(jù)、分類分級、新型支護等開展了有益的研究[3-8]，然而，對于實際工程目前仍多采用傳統(tǒng)的鋼拱架、錨桿、噴射混凝土等組成支護體系應(yīng)對，對于變形量級過大或持續(xù)時間較長的工程，則在此基礎(chǔ)上，結(jié)合恒阻大變形錨桿、可伸縮鋼拱架、超前管棚、留槽混凝土襯砌等綜合應(yīng)對[2]。

對于水工隧洞支護類型及參數(shù)的選擇，國內(nèi)主要是依據(jù)SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[9]推薦方法并結(jié)合類似工程經(jīng)驗，根據(jù)隧洞圍巖種類預判，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合開挖后圍巖變形、支護受力情況等動態(tài)優(yōu)化。然而，由于工程賦存環(huán)境及開挖方式、工序的不同，采用規(guī)范及經(jīng)驗方法，難免會存在一定的偏差性。還有一些學者[10-15]采用理論分析、數(shù)值模擬或現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法進行支護類型及參數(shù)的選擇，雖然能提高支護參數(shù)的精度，但是耗費時間較多。一旦原支護類型及參數(shù)選擇的不合理，支護會發(fā)生扭曲、破壞以及凈空等問題，導致掌子面極易失穩(wěn)破壞，大部分工程只能采用擴挖斷面、拆換支護或多層噴混進行補救，極大程度上拖延工期。

針對這一現(xiàn)象，目前工程上常用的方法是憑借類似工程施工經(jīng)驗，并借助數(shù)值模擬的方法對災害洞段進行支護優(yōu)化，尚未形成一套驗證軟巖大變形等級下初期支護型式及參數(shù)選取的經(jīng)驗方法。基于此，本文依據(jù)某深埋水工隧洞工程地質(zhì)情況，選擇典型洞段預測擠壓變形風險，利用控制變形估算所需支護力，依據(jù)規(guī)范和相關(guān)工程經(jīng)驗確定支護類型與參數(shù)的同時，考慮實際開挖過程利用數(shù)值仿真分析驗算支護的合理性，并提出針對性建議。

1 工程概況

某深埋水工隧洞開挖洞徑10 m，成洞洞徑8.3 m，總長62.6k m，最大埋深1 450 m，埋深大于600 m洞段占隧洞總長的67.38%。經(jīng)現(xiàn)場勘察及圍巖強度分析可知，巖性中存在泥砂、片巖以及泥頁巖等，巖石單軸抗壓強度為1～3 MPa，屬于軟巖范疇。洞軸沿線發(fā)育多條規(guī)模較大的區(qū)域性斷裂破碎帶，整體巖體強度應(yīng)力比為0.11～0.13，存在較大的大變形風險。

該水工隧洞主要以三疊系下統(tǒng)青天堡組(T1q)、中統(tǒng)中窩組(T3z)和二疊系玄武巖組(Pβ)泥、頁巖類為主。Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計長約41.98 km，約占隧洞長度的67.08%。其中，Ⅳ類圍巖長28.23 km，占45.11%；Ⅴ類圍巖長13.75 km，占21.97%。隧洞軟巖段長13.11 km，占隧洞總長20.94%，其中軟巖地層7.341 km，占隧洞總長的11.72%。Ⅴ類圍巖巖體參數(shù)見表1。

表1 Ⅴ類圍巖巖體參數(shù)

2 圍巖變形與所需支護力估算

2.1 圍巖變形預測

采用芬納公式、數(shù)值模擬Phase 2[16]和Hoek經(jīng)驗公式[17]，求解得到該工程深埋775 m的典型洞段拱頂圍巖變形量值，結(jié)果見表2。該段初始地應(yīng)力為15.19 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.2。從表2可知，無支護情況下，該典型洞段拱頂圍巖變形率在5.1%～8.9%之間，均值為6.64%。對于計算值，采用喻渝[18]、徐林生等[19]、張祉道[20]、Singh等[21]、Aydan[22]以及Hoek等[17]的變形等級劃分依據(jù)進行劃分，結(jié)果見表3。從表3可知，該工程典型洞段圍巖變形均屬于嚴重擠壓等級，即工程開挖后在應(yīng)力重分布及圍巖屈服下，存在很大的大變形風險，合理選擇支護類型與參數(shù)選擇極為重要。

表2 圍巖變形量值與變形率

表3 典型斷面變形等級

2.2 所需支護力估算

Hoek給出了基于巖體強度、地應(yīng)力水平與支護力關(guān)系的洞壁圍巖變形率和塑性區(qū)厚度計算公式[17]，即

(1)

(2)

式中，εu為圍巖變形率；ui為位移；R0為洞隧洞半徑；εp為塑性區(qū)與洞徑比；Rp為塑性區(qū)半徑；σ0為初始地應(yīng)力；pi為支護力；σcm為巖體強度。

根據(jù)式(1)、(2)繪制了該工程典型斷面圍巖εu、εp與pi關(guān)系，見圖1。從圖1可知，若控制隧洞圍巖變形率分別為1.0%、2.5%和3.0%時，所需施加于洞壁圍巖的支護力為6.1、4.3、3.7 MPa。SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護技術(shù)規(guī)范》要求埋深大于300 m隧洞Ⅴ類圍巖允許變形率1.0%～3.0%[23]，即對于該工程支護所需提供的支護力為3.7～6.1 MPa。

圖1 徑向應(yīng)變、塑性區(qū)占比與支護力關(guān)系

2.3 支護參數(shù)初步確定

依據(jù)Hoek等所總結(jié)歸納的支護類型所能提供的支護力及其與洞徑或間排距關(guān)系[24]，得到1.0%、2.5%和3.0%控制變形率下所需的支護，見表4。

表4 不同圍巖變形率所對應(yīng)的支護方案

結(jié)合SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[9]并參考類似工程經(jīng)驗，初步給出了該工程典型洞段的支護類型，見表5。在不考慮超前管棚的情況下，根據(jù)Hoek等的方法，可求解得到表5所能提供的支護力為5.2 MPa，對應(yīng)圍巖變形為0.149 m，圍巖變形率為2.98%，塑性區(qū)半徑9.41 m。由于Hoek等的方法并不能體現(xiàn)支護位置與掌子面間距對于圍巖穩(wěn)定及支護安全的影響，且無法估算超前管棚的作用，需要利用數(shù)值模擬驗證開挖過程支護參數(shù)的合理性。

表5 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 合理性驗證

3.1 數(shù)值模擬

考慮應(yīng)力邊界影響后，應(yīng)用FLAC3D建立數(shù)值仿真模型，見圖2。主要包括巖體、噴射混凝土、超前管棚、錨桿等初期支護，模型整體尺寸為70 m×70 m×60 m(長×高×寬)。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進行建立，不考慮巖體流變特性影響。

圖2 三維有限元數(shù)值模型(單位：m)

3.2 模型參數(shù)

超前管棚和鋼拱架采用beam單元模擬，錨桿為cable單元，其他為實體單元。其等效彈性模量按下式進行換算

(3)

式中，E為折算后彈性模量；As為實際截面面積；Es為實際彈性模量；A為單元截面面積。超前管棚等效彈性模量按下式進行換算

(4)

式中，E1為鋼管彈性模量；I1為鋼管截面慣性矩；E2為管內(nèi)充填砂漿彈性模量；I2為充填砂漿截面慣性矩。具體參數(shù)見表6。

表6 Stacking融合算法預測精度指標與單一模型的對比

表6 數(shù)值模擬中的支護參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果

采用分布開挖方式，設(shè)定開挖步長為3.0 m用于模擬工程實際開挖過程，同時模擬支護過程，最終圍巖穩(wěn)定后豎直方向的變形見圖3。從圖3可知，由于側(cè)壓力系數(shù)的存在，本工程位移云圖分布特征與靜水應(yīng)力場下的位移分布規(guī)律明顯不同，基本表現(xiàn)為拱頂及底板部位變形大于拱腰部位，這一變形規(guī)律下勢必將導致初期支護最終受力不同。此外，支護后最大變形為13.31 cm，變形率為2.65%，變形滿足SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護技術(shù)規(guī)范》)中埋深大于300 m隧洞V類圍巖允許變形率1.0%～3.0%的要求[23]。

圖3 圍巖穩(wěn)定后豎直方向的變形(單位：m)

現(xiàn)有支護條件下，圍巖塑性區(qū)分布情況見圖4。從圖4可知，洞壁圍巖環(huán)向上塑性區(qū)分布略有不同，拱腰部位塑性深度大于拱頂及底板位置，最大塑性區(qū)厚度為4.36 m，本工程錨桿設(shè)計長度為8.0 m，符合SL 377—2007中錨桿長度不得小于塑性區(qū)或圍巖松弛區(qū)1.0 m的要求[23]。

圖4 塑性區(qū)分布(單位：m)

初期支護最終受力情況見圖5。從圖5可知，錨桿受力基本為10.00～163.00 kN，鋼拱架所受壓應(yīng)力為79.46～170.49 MPa，噴射混凝土壓應(yīng)力為5.40～10.94 MPa。本工程中所用的錨桿極限承載拉力為180 kN、鋼拱架的極限強度為235 MPa、C25噴射混凝土為11.9 MPa，上述應(yīng)力值均未超過其極限荷載，均處于安全狀態(tài)。需要注意的是，初期支護中錨桿、鋼拱架以及噴射混凝土受力規(guī)律受初始應(yīng)力中測壓系數(shù)的影響，基本表現(xiàn)為拱腰位置的錨桿、鋼拱架以及噴射混凝土相較拱頂相應(yīng)支護的受力更大，即對于本工程而言，可以考慮在不同部位進行一定的支護優(yōu)化，避免相同參數(shù)下支護的浪費。此外，可進一步根據(jù)不同部位的錨桿、鋼拱架以及噴射混凝土的受力情況，結(jié)合上述分析，有目的地進行現(xiàn)場動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。

圖5 初期支護最終受力情況

掌子面推進過程將對支護受力產(chǎn)生一定的影響，即不同支護時機下支護受力不同。為監(jiān)測同一斷面不同位置的錨桿受力情況，布置了A、B、C、D和E等5個監(jiān)測點。監(jiān)測錨桿分布見圖6。

圖6 監(jiān)測錨桿分布位置

在開挖過程中5個監(jiān)測點的錨桿受力見圖7。從圖7可知，隨著掌子面的推進，錨桿拉力逐漸發(fā)生變化，在距掌子面3.0～6.0 m范圍內(nèi)，由于掌子面支撐效應(yīng)的降低、噴射混凝土齡期以及支護體系協(xié)同作用的綜合影響，拱腰及底板位置錨桿的拉力呈現(xiàn)出先增加后逐漸減小并趨于穩(wěn)定的變化趨勢，其他部位錨桿應(yīng)力則會隨著掌子面支撐效應(yīng)的降低而逐漸增加并趨于穩(wěn)定。因此，在實際支護中需注意對該部位的錨桿進行觀測并動態(tài)調(diào)整。

圖7 掌子面推進過程錨桿受力變化

4 結(jié) 語

本文以某深埋軟巖水工隧洞為研究對象，對隧洞開挖擠壓變形風險進行了預測，從所需支護力角度結(jié)合規(guī)范及工程經(jīng)驗初步確定了支護類型和參數(shù)，對開挖過程進行了模擬，以驗證支護參數(shù)的合理性，得出以下結(jié)論：

(1)該工程埋深大，大部分洞段巖體軟弱，典型斷面變形量可達0.25～0.45 m，變形率為5.1%～8.9%，工程開挖會發(fā)生嚴重的擠壓變形問題。按照規(guī)范要求，將圍巖變形率控制在1.0%～3.0%時，需提供支護力3.7～6.1 MPa。

(2)按現(xiàn)有規(guī)范及結(jié)合工程經(jīng)驗所選定的錨桿、鋼拱架以及噴射混凝土等，在不考慮超前管棚作用時，可提供支護力為5.2 MPa，對應(yīng)圍巖變形0.149 m，塑性區(qū)半徑9.41 m。

(3)對于該工程，現(xiàn)有支護下，錨桿拉力、鋼拱架壓應(yīng)力以及噴射混凝土壓應(yīng)力等均未超過極限值，錨桿長度大于塑性區(qū)深度1.0 m的要求，控制變形率為2.65%，均滿足規(guī)范相應(yīng)要求，但拱腰部位錨桿臨近掌子面位置處局部拉力較大，工程支護后需重點觀測。