软弱围岩隧洞一次支护安全性研究与实践

(宁夏水务投资集团有限公司，宁夏 银川 750002)

1 工程背景

宁夏中南部城乡饮水安全水源工程输水隧洞有12座，总长达37.076km，隧洞工程地质与水文地质条件复杂，穿越的地层主要为白垩系、第三系软弱岩石和第四系松散层。

隧洞围岩主要工程地质特性如下：

a.白垩系泥岩单轴饱和抗压强度为0.6～13MPa，第三系泥岩和砂质泥岩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。

b. E2s1砂质泥岩、砾岩遇水易崩解，耐久性低，比较而言K1n、K1m2泥岩耐久性稍好。两者均具有失水干裂的不良特性。

c.在保持天然含水状态或三维应力条件下，岩体具有较高的强度。

该工程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，本身强度低，在地下水的作用下强度将进一步显著下降，而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，变形和塌方的范围、规模可能较大。挤压变形难以稳定，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加大，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。

2 软弱围岩隧洞一次支护措施及安全性评价

输水隧洞为无压输水隧洞,设计流量3.0m3/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 一次支护设计

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形式，围岩力学参数、地应力值及隧洞采用的支护方式见表1～表3，各围岩洞段典型断面的开挖及一次支护型式见图1～图3。

表1 隧洞围岩力学参数

表2 钻孔地应力测试成果

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。表明测区附近现今构造应力作用强度不高。最大水平主应力方向为NNE—NE。

表3 隧洞一次支护参数

图1 Ⅲ类围岩洞段隧洞典型断面(B2型)开挖支护图(埋深约150m;单位：mm)

图2 Ⅳ类围岩洞段隧洞典型断面(C3型)开挖支护图(埋深约310m;单位：mm)

图3 Ⅴ类围岩洞段隧洞典型断面(D2型)开挖支护图(埋深约185m;单位：mm)

2.2 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。相关表述为：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。当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%时，或者实测位移收敛速率出现急剧增长时，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：%

注1. 洞周相对收敛量是指两测点间实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比。

2. 脆性围岩取小值，塑性围岩取大值。

3. 表中数据适用于高跨比0.8～1.2、埋深小于500m，且其跨度分别不大于20m(Ⅲ级围岩)、15m(Ⅳ级围岩)和10m(Ⅴ级围岩)的隧洞洞室工程。否则应根据工程类比，对隧洞、洞室周边允许相对收敛值进行修正(见图4)。

图4 洞周典型位移监测点位置

2.3 一次支护设计数值模拟

2.3.1 计算程序

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，其内置多种形式锚杆(如端锚、全黏结锚杆、水胀式锚杆等)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。

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua )软件是为地质工程应用而开发的连续介质显式有限差分计算软件三维版。该软件主要适用于模拟计算岩土体材料的力学行为及岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动，对大变形情况应用效果更好。

该工程分别采用Phase2、FLAC3D进行隧洞支护结构的复核计算分析。

2.3.2 计算模型

2.3.2.1 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，向右为正；Y轴为竖直方向，向上为正，如图5所示。

图5 坐标轴规定示意图

2.3.2.2 有限元模型计算范围选取

在岩体中开挖隧洞时，地应力二次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，这里在隧洞左、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。模型边界截取示意图如图6所示。

图6 模型边界截取示意图

2.3.2.3 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类围岩洞段一次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类围岩洞段一次支护中钢拱架排距为0.8m。

本文以Ⅳ类围岩(隧洞埋深约310m)为例，其计算模型见图7。

图7 隧洞计算模型

2.4 一次支护设计数值模拟结论

通过数值模拟可以得出以下结论：

a.隧洞开挖后山体中的应力场会出现调整，使得隧洞围岩应力出现明显的变化，出现压应力和剪应力集中。

b.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，侧壁其次，拱顶最小。

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

d.隧洞开挖未支护下由于洞室围岩大主应力增大和小主应力减小，围岩在一定深度范围内出现了塑形破坏，计算的塑性区厚度和实测的松弛圈厚度也基本相等；隧洞支护后围岩应力分布发生调整，大主应力减小，小主应力增大，剪应力减小，随着地应力进一步释放，塑性区范围基本未进一步的发展，支护效果良好。

2.5 一次支护设计安全性评价

基于数值计算结果的收敛变形量，根据不同初始地应力、不同支护条件下隧洞开挖的围岩收敛变形计算值，可以得出以下结论：

a.在隧洞推进施工过程中，及时开展收敛变形监测非常必要。

b.支护措施施加得越早，对围岩的变形抑制效果就越明显。根据国标，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。

c.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。

d.在支护条件下，围岩松弛圈厚度不大且无进一步发展的趋势，松弛后的岩体仍具有较高强度，岩体变形稳定较快，说明现有的支护方式能够满足规范要求。

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