软弱围岩隧洞初期支护设计

顾耀民 陈艳会 杨 凡

(1.宁夏水务投资集团有限公司,宁夏 银川 750002； 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

软弱围岩隧洞初期支护设计

顾耀民1陈艳会2杨 凡2

(1.宁夏水务投资集团有限公司,宁夏 银川 750002； 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

水工输水隧洞，初期支护是加固围岩、确保洞室安全的重要措施，对于小断面隧洞来说，考虑施工便利，一般需在隧洞开挖贯通后进行二期衬砌，对于软弱围岩，确保开挖过程中隧洞的安全尤为重要。本文结合宁夏固原地区(宁夏中南部)城乡饮水安全水源工程7号大湾输水隧洞，对小断面软岩隧洞的初期支护设计进行了探讨。现场施工监测表明：现有的支护方式能够满足规范要求，可供类似工程参考。

输水隧洞；软弱围岩；初期支护

1 工程概述

宁夏固原地区(宁夏中南部)城乡饮水安全水源工程共有输水隧洞12座，总长达37.75km。隧洞工程地质与水文地质条件复杂，其中7号(大湾)隧洞为无压输水隧洞，洞长10.60km，平均埋深165m，最大埋深310m，最大外水水头245m，是工程单洞最长、埋深最大的洞段。洞线穿越多个走向近南北的深沟，多数沟内常年有水。隧洞区地下水以第四系松散层孔隙潜水和白垩系基岩裂隙水为主，局部地带表现出裂隙潜水的特征，接受沟谷河水及上层潜水补给。7号隧洞主要围岩为灰色泥页岩(K1n1)、泥岩与泥灰岩互层(K1n2)和泥岩夹薄层泥灰岩(K1n3)。隧洞穿越的岩体亲水性强，具有重塑性、胀缩性、崩解性、流变性和大变形等特点， 尤其是第三系泥岩等软弱岩体，断层带、挤压破碎带和节理密集带等破碎岩体，单轴饱和抗压强度小于1MPa，属极软岩或软岩，且易于软化，水的作用对其力学强度影响明显。在隧洞开挖时出现明显的挤压变形或塌方，属于不受结构面控制的整体破坏形式，施工过程中容易引起隧洞的失稳和破坏，不及时处理塌落高度会逐渐发展，甚至出现冒顶，严重威胁施工安全和进度，并可能影响隧洞的长期稳定性。

7号隧洞采用马蹄形断面，断面尺寸主要由施工要求控制，由于隧洞为小断面施工，需要隧洞开挖贯通后才能进行二期衬砌，为了确保隧洞安全，进行合理的初期支护设计及评价，对加快施工进度、保证工程安全具有重要意义。

2 软弱围岩隧洞一期支护设计

7号输水隧洞为无压输水隧洞,设计流量3m3/s，设计比降i=1/2750。隧洞采用马蹄形断面，断面尺寸主要由施工要求控制，顶拱半径1.15m，圆心角180°；最大净高2.45m，最大净宽2.30m；设计水深1.48m。

2.1 输水隧洞工程地质参数

输水隧洞工程围岩力学参数、地应力值见表1、表2。

表1 隧洞围岩力学参数

表2 钻孔地应力测试成果

注 地应力量值总体上表现为随深度有所增加，但变化梯度较小；与计算的垂向应力相比，三向主应力的关系基本表现为SH≧Sv>Sh(SH为水平最大主应力；Sv为垂直向主应力；Sh为水平最小主应力)，最大水平主应力方向为NNE—NE。

2.2 初期支护设计

输水隧洞采用新奥法的原则设计及施工，支护型式及设计参数依据工程地质勘察成果，并结合已建地下工程，运用工程类比法确定，主要采用锚杆、挂网、喷混凝土、钢拱架以及局部管棚的组合型式(见表3)。

各围岩洞段典型断面的开挖及一期支护型式见图1～图3。

表3 隧洞一期支护参数

图1 Ⅲ类围岩洞段隧洞典型断面(B型)开挖支护(埋深约150m)

图2 Ⅳ类围岩洞段隧洞典型断面(C型)开挖支护(埋深约310m)

图3 Ⅴ类围岩洞段隧洞典型断面(D2型)开挖支护(埋深约185m)

3 软弱围岩隧洞初期支护安全性评价

3.1 围岩稳定性和支护结构安全评价标准

参照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)对隧洞、洞室周边允许相对收敛值的规定(见表4)，洞室现场监控量测的周边位移，应结合围岩地质条件、洞室规模和埋深、位移增长速率、支护结构受力状况等进行综合评判。如位移增长速率无明显下降，而此时实测的相对收敛值已经接近表4中规定的数值，同时喷射混凝土表面已出现明显裂缝，部分锚杆实测拉力值变化已超过拉力设计值的10%；或者实测位移收敛速率出现急剧增长，则应立即停止开挖，采取补强措施，并调整支护参数和施工程序。

表4 隧洞、洞室周边允许相对收敛值 单位：%

3.2 一期支护设计数值模拟

3.2.1 计算程序

设计采用Phase2进行隧洞支护结构的复核计算分析。Phase2是加拿大Rocscience公司基于二维有限元原理开发的一款功能强大的岩土工程分析程序，其内置多种型式锚杆(如端锚、全黏结锚杆、水涨式锚杆等)和支护结构单元(如梁单元、喷混单元、钢筋网单元、钢拱架单元、钢格栅拱架单元等)，被广泛应用于国内外各类工程分析中，特别是地下开挖支护工程，有许多成功应用的案例。

3.2.2 计算模型

a.有限元模型坐标轴规定。取隧洞开挖完成后底部高程最低点为坐标零点；X轴为水平方向，与隧洞轴线方向垂直，指向右为正；Y轴为竖直方向，向上为正(见图4)。

图4 坐标轴规定示意图

b.有限元模型计算范围选取。在岩体中开挖隧洞时，地应力二期分布的影响范围有限，一般在距洞室中心点3～5倍开挖宽度的范围内影响较大。因此，在隧洞左、右方沿洞开挖边界往外延伸4倍开挖宽度，上、下方沿洞开挖边界往外延伸4倍开挖高度作为模型截取边界(见图5)。

图5 模型边界截取示意图

c.二维有限元计算模型网格。采用网格映射划分技术建立隧洞Ⅲ类、Ⅳ类及Ⅴ类围岩洞段典型断面的二维有限元计算网格图，计算中考虑了隧洞的开挖和支护的施工过程，拟定不同的施工步，其中，Ⅲ类围岩洞段一期支护中锚杆为随机的，偏安全考虑，计算中不考虑锚杆作用；Ⅴ类围岩洞段一期支护中钢拱架排距为0.80m。

本文以Ⅳ1类围岩(隧洞埋深约310m)为例，其计算模型见图6。

3.3 一期支护设计数值评价

围岩变位计算结果表明：隧洞开挖后围岩岩体整体向洞内临空面变形。位移计算结果表明：洞室底部位移量最大，其次为侧壁，拱顶最小。一次支护完成至二衬实施前，地应力释放完全，水平位移最大值为13.60mm，发生在两侧拱靠近拱腰位置；竖直位移最大值为15.40mm，发生在底拱中心位置；顶拱位移最大值为12.70mm，发生在顶拱中心位置；各位移值为绝对值，均指向临空面方向。隧洞任意两点相对变位均小于允许相对变位，隧洞围岩变位满足规范要求。

图6 隧洞计算模型

隧洞开挖支护前、后位移对比表明：支护后洞室位移增量大幅度减小，支护效果明显。

围岩应力计算结果表明：隧洞开挖后，地应力释放75%，临空面周围约2m深度范围内围岩发生屈服；一次支护结构完成至二衬实施前，地应力继续释放至100%，围岩塑性区范围基本没有变化；在一次支护结构作用下，地应力的进一步释放并未加大塑性区的扩展范围；屈服区及其附近范围内围岩应力因围岩屈服发生了较大的调整，第一主应力及第三主应力总体上呈现由围岩内部向隧洞临空面逐渐减小的趋势；围岩总体处于稳定状态。

支护结构内力及稳定分析计算结果表明：地应力完全释放时锚杆轴力不超过锚杆抗拉强度，锚杆结构满足稳定要求；喷混结构单元抗剪及抗弯矩安全系数均大于1，且基本大于1.4，喷混结构满足稳定要求。

4 结 语

在隧洞施工过程中，及时开展收敛变形监测非常必要。支护措施施加得越早，对围岩的变形抑制效果越明显。根据国家标准，考虑隧洞围岩发生塑性屈服，洞周允许相对收敛值取大值，计算结果表明不同支护条件下的收敛变形均满足规定。在支护条件下，围岩松弛圈厚度不大且无进一步发展趋势，松弛后岩体仍具有较高强度，岩体变形稳定较快，说明现有支护方式能够满足规范要求。

Design of Early Support of Weak Surrounding Rock Tunnel

GU Yaomin1, CHEN Yanhui2, YANG Fan2

(1.NingxiaWaterInvestmentGroupCo.,Ltd.,Yinchuan750002,China; 2.BeiFangInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd.Tianjin300222,China)

In the hydraulic water conveyance tunnel, early support is an important measure for reinforcing the surrounding rock and ensuring the security of the cavern. Lining of the second stage should be implemented after the tunnel is excavated and holed through generally for construction convenience aiming at tunnels with small cross section. Guarantee of tunnel safety in the excavation process is particularly important aiming at weak surrounding rock. In the paper, No.7 Dawan hydraulic tunnel in urban and rural drinking water safety water source project of Ningxia Guyuan region (Mid-south of Ningxia) is combined for discussing early support design of weak rock tunnel with small cross section. Site construction monitoring indicates that existing support mode can meet specification requirements, and provide reference for similar projects.

hydraulic tunnel; weak surrounding rock; early support

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.07.011

TV554+3

A

1673-8241(2017)07- 0035- 05