砂砾石隧洞设计优化

杨赐金

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000)

水工隧洞是一种广泛应用于市政、能源和水利工程等许多国民经济领域的地下结构物.确定衬砌结构所承载的围岩压力是隧洞设计的重点基础工作之一.笔者以新疆某砂砾石土洞为例，通过对围岩释放比的控制模拟，研究该类水工隧洞设计优化的方法.

1 工程概况

新疆某隧洞洞身段主要位于砂砾石地层内，隧洞全长1.8 km，隧洞纵坡为1/1 000，为无压明流隧洞，马蹄形断面，洞径6.2 m.洞身段围岩主要由中更新统冲积砂砾石层(Qal2)组成，结构密实，其物理力学指标见表1.上覆土层厚50～68 m，地下水位低于隧洞底板，成洞条件差，围岩类别为Ⅴ类，稳定性差，且围岩内可能分布有松散的砂层透镜体，岩石坚固系数 f为 0.73，单位抗力系数 K0为 100～200 N/cm3，纵波速 Vp为1 000 ～1 200 m/s.

表1 岩土主要物理力学指标建议值

2 隧洞优化设计方法

根据文献［1］规定，对于能形成塌落拱的土洞，作用在土洞衬砌结构上的围岩压力(荷载)可按松动介质平衡理论估算围岩压力，而且土洞的衬砌结构计算，一般不考虑支护结构的作用，只是将其作为安全储备，全部荷载均由衬砌结构承担.若支护结构控制住变形，即洞周土体变形达到基本稳定，可视具体情况适当减少衬砌结构所承受的土压力.那么，确定支护承担的土压力比例有利于隧洞的设计优化.

隧洞支护断面距离开挖掌子面的距离越大，则支护断面处围岩释放的应力越大，作用到支护上的荷载越小，支护结构也偏于经济.与此同时，由于围岩不可能是绝对的均质体，则支护断面距开挖掌子面距离越大造成塌方冒顶的风险越大.就无胶结砂砾石地层围岩而言，因其泊松比较大，无粘聚力，围岩应力释放快，更容易产生破坏性变形.如何选取相对经济和安全的支护参数就成为需要进一步研究的课题.

2.1 支护受力计算

砂砾石作为散粒体结构，临空面不存在弹性状态，从掌子面开挖到支护过程段，塑性区可能迅速发展并变化到危险的松动状态.要发挥围岩的自承能力，需从以下2方面考虑:一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力;另一方面又必须允许围岩进入一定程度的塑性，以使围岩自承力得以最大限度的发挥［2］.

塑性区的发展变化是一个初期应变和应力(或强度)同向增长，后期应变增长而应力(强度)逐渐降低的过程.为保证隧洞结构安全，并使结构具有经济性，就需要合理确定支护参数.能使隧洞围岩维持极限平衡状态下的支护抗力即为最优支护，该支护抗力可由文献［3］中芬纳公式求得:

式中:Pi为维持极限平衡状态所需的支护抗力，MPa;C为围岩岩体或土体的粘聚力，MPa;r0为开挖半径，m;φ为围岩内摩擦角，(°);R0为对应Pi的塑性区半径，m;R为对应Pi的松动区半径，m.

2.2 优化分析

由于支护至开挖掌子面间裸洞是因隧洞围岩的应力释放特性而保持自身稳定的，可认为该段裸洞承担了未释放部分的应力，而支护设置也以承担该部分应力为依据.如果在跟进支护距离允许范围内设置适宜的支护，即可认为该范围内围岩应力不再进一步释放，支护的设计可按照未释放部分应力进行(应适当预留安全余度;在衬砌设计时，按规范不考虑支护作用，该部分应力转由衬砌承担).

根据三维有限元法计算的马蹄形断面开挖面的空间释放效应可取得未释放部分的围岩应力，利用开挖面的空间效应，得出计算断面至掌子面的距离与计算断面应力释放的关系，未释放的部分可认为是围岩提供给计算断面的剩余支护抗力.计算断面的应力释放系数取为A，则Pi= (1 －A)P，将 Pi=(1 －A)P代入公式(2)可得

将该工程隧洞砂砾石地层相关参数代入公式(4)，可求得不同释放系数时塑性区及破坏区的特征半径，见表2.

表2 围岩受力分区计算成果

对于无胶结砂砾石隧洞，因其不具有胶结性，在轻微的扰动情况下即有可能造成掉块、坍塌等现象.另外，计算结果表明，无胶结砂砾石围岩内虽存在塑性区，但塑性区与破坏区的过渡带非常狭窄，必须采取措施限制其塑性区的发展.该工程拟选用塑性区为零时的条件以降低施工难度，即取A=0.588作为施工控制参数.应用该控制参数，即可由图1计算得到施工控制的支护面与掌子面之间的距离.

图1 理想的应力释放关系曲线

根据拟定的支护至掌子面的距离，由下式推求支护处等效荷载释放系数

式中:A为计算断面的荷载释放系数;A0为开挖掌子面处的荷载释放系数;L为计算断面至掌子面的距离，m;g 可近似取 0.7r0.

根据以上的分析计算，将拟定计算断面处的荷载释放系数作为确定量，在公式(5)中L即计算断面至掌子面的距离，就是该式中唯一的未知量.经计算，可得L=0.2D=1.52 m，施工中可控制一次支护距掌子面距离不大于1.50 m，并根据具体施工情况予以调整.假定掘进速度以等速推进，还可求得支护相对于开挖掌子面的合理滞后时间.

3 结语

通过对砂砾石土洞围岩特性分析，确定支护施作时围岩应力释放比为58%，支护施工期承载42%围岩压力，并最终由衬砌承担.按此设计思路进行隧洞设计，最终衬砌厚度为50 cm，较不做优化的设计方案衬砌结构减薄37.5%，降低工程总投资约17%.目前，工程已投入运行近3年，运行情况良好，取得了较好的经济和社会效益.

笔者所提出的计算方法虽已得到工程实例验证，但仍有其局限性:①研究主要针对特定对象进行，而该工程地下水埋藏较深，没有地下水的影响.若地下水高于隧洞底板，将显著改变砂砾石围岩的工程特性，此种情况建议仍按照散体理论坍落拱计算衬砌受力;②与无胶结砂砾石围岩不同，对有胶结的软岩隧洞则可利用中后期的塑性变形，可选择破坏区半径略小于开挖半径的参数作为控制条件.

［1］水利部东北勘测设计研究院.SL 279—2002水工隧洞设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［2］张作光.瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测及支护结构优化研究［D］.成都:四川大学，2006.

［3］徐干成，白洪才，郑颖人，等.地下工程支护结构［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.