南水北调中线雾山（二）隧洞洞身稳定分析

阎忠

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线雾山（二）隧洞洞身稳定分析

阎忠

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

洞身稳定分析目的是了解围岩的稳定状况；由于地质条件的变化，围岩稳定分析工作非常困难。为确保隧洞开挖过程安全，对洞室周边切向应力和切向二次应力分析进行了计算，得出了围岩稳定受其岩石爆破和施工方法的影响，建议在隧洞开挖过程中，严格按新奥法施工。

南水北调中线；隧洞稳定；应力分析

1 概述

雾山（二）隧洞位于河北省满城县尉公村北，是南水北调中线工程的一座大型建筑物，工程设计流量135m3/s，加大流量160m3/s。工程全长495m，其中隧洞洞身长400m，双洞线布置，采用无压流圆拱直墙型断面，洞身净宽2m×7.5m。

雾山（二）隧洞位于太行山低山丘陵区，洞身穿越雾山主峰东南段余脉，隧洞穿越的山丘最大高程200m，相对高差140m，进出口山体30°～50°坡度，高程180m以上28°坡度变缓。

山体均由雾迷山组碳酸岩组成，植被差，基岩裸露。洞身全部位于微风化燧石条带白云岩中，洞身未发现大的构造。

洞身稳定分析的目的，是了解围岩的稳定状况；但由于地质条件千变万化，使得围岩稳定分析工作非常困难。由于隧洞开挖破坏了岩体原有的应力分布，当重新分布后的应力超过岩体强度时就会引起围岩较大的塑性变形，逐渐发展产生松动圈，形成荷载。为了确保隧洞开挖过程的安全，应进行洞室周边切向应力和切向二次应力的分析计算。

2 洞室周边切向应力分析

洞室开挖后，以周边应力不超过该处岩石的允许应力为条件，验算洞周岩石抗压强度和抗拉强度是否满足要求。

隧洞进出口部位的围岩节理裂隙较发育，属稳定性较差的岩石，但进出口IV类围岩段仅各为10m，Ⅱ、Ⅲ类围岩段占洞身段的95%，洞身围岩较好；由于雾山（二）隧洞的出口与界河渠道倒虹吸相连，从隧洞出口至倒虹吸进口仅有25m的距离，根据出口地形条件及总体布置要求，隧洞两洞之间的岩体厚度不宜太大，以免影响隧洞出口水流向界河渠道倒虹吸的平稳汇流。综合考虑，隧洞之间的岩体厚度采用1.5倍的开挖洞径，即岩体厚度取13.1m。

隧洞进出口段均为Ⅳ类围岩，圆拱直墙型断面，开挖宽度9.0m，开挖高度9.77m，岩石产状近水平状，为含燧石条带白云岩，容重γ=28kN/m3，洞顶最大埋深20m，饱和抗压强度fr=60～80MPa，抗拉强度ftr= 7.3MPa，岩石泊松比μ=0.3。侧压力系数：0.429，岩柱厚13.1m，垂直山岩压力Pv为0.56MPa，水平压力Ph为0.24MPa。

洞室周边切向应力计算公式为：

式中σt为洞周边切向应力（MPa）；C′h为洞应力围岩水平系数，为垂直向应力集中系数，为洞开挖宽度，B=9.0m；Bp为岩柱厚度，取13.1m。

洞周切应力计算结果如表1。

表1 洞周切应力计算结果单位：MPa

从表1可知，当两洞之间岩柱的厚度为13.1m时，洞周边切向应力均小于岩石的允许应力，围岩是稳定的。

3 洞室周边二次切向应力分析

根据弹性理论，依据《岩土工程手册》“围岩二次应力—弹性理论”计算，洞室周边二次切向应力计算公式为：

式中σt为洞室周边二次切向应力（kN/m2）；c′为洞室周边切向应力集中系数。依据侧向压力k0和周边位置确定为围岩容重（kN/m3），γⅡ取2.7×10kN/m3，γⅢ=2.6×10kN/m3；H为隧洞埋深（m）。

隧洞的洞室周边二次切向应力，如表2、表3。

Ⅱ类围岩的抗压强度为120～140MPa，抗拉强度为7.0MPa；Ⅲ类围岩的抗压强度为90～100MPa，抗拉强度为6.0MPa。

表2 洞室周边二次切向应力单位：MPa

表3 洞周二次切向应力单位：MPa

计算结果表明，隧洞在开挖过程中产生的周边切向二次应力无论是拉应力，还是压应力，其安全系数均大于2.0，说明Ⅱ、Ⅲ类围岩段在开挖过程中是稳定的。

4 结语

通过对洞室周边切向应力和二次切向应力分析计算，摸清了围岩稳定状况，得出了洞身稳定直接受岩石爆破参数和施工方法的影响，因此在隧洞开挖过程中必须严格按新奥法施工。

［1］SL279—2002，水工隧洞设计规范［S］.

［2］DL5007—2002，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［3］段乐斋.水利水电工程地下建筑物设计手册［K］.重庆：四川科学技术出版社，1993.

［4］岩土工程手册编委会.岩土工程手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［5］GB50086—2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.

Stability Analysis of the South-to-North Water Diversion Project Wusan（2）Tunnel Hole Body

YAN Zhong
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

The purpose of the hole body stability analysis is to understand the situation of surrounding rock stability；but due to various geological conditions，the surrounding rock stability analysis is very difficult to work.In order to ensure the safety of the tunnel excavation process，should be analysed and calcuted tangential stress and tangential secondary stress around cavern.It is concluded that the stability of surrounding rock is affected by the rock blasting and the construction methods，suggesting the construction in strict accordance with the new Austria tunneling method in the process of tunnel excavation.

South-to-North Water Diversion Project；tunnel stability；stress analysis

TV554

B

1672-9900（2014）03-0053-02

2013-12-11

阎忠（1969-）,男（汉族），河北大厂人，高级程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）13821163566。