夏特水电站隧洞围岩初期支护稳定性分析

胡 睿，严新军，欧阳君，田崇磊

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410007)

0 引 言

隧洞在开挖初期采用不同的支护方式会使其稳定性发生变化，而对其稳定性变化的研究主要分为现场实测[1-2]、理论计算[3-5]、模型试验[6-7]、有限元模拟[8-9]等多种研究方法。隧洞初期支护的仿真计算一直是隧洞工程领域一个重要的研究方向，随着计算机和数值分析技术的不断发展和进步，众多学者对其进行了大量研究并取得了丰硕的成果。吴学震等[10]根据锚杆的力学及变形特性建立了结构模型，研究锚杆加固对隧洞稳定性的影响，得出锚杆加固的主要作用在于限制塑性区围岩的变形，但对塑性区边界的位置以及弹性区岩体的变形控制效果不明显；王刚等[11]建立了端锚式锚杆-隧洞围岩耦合作用的结构模型，得出原岩区的径向应力随时间的增大线性增大，切向应力随时间的增大线性减小；王建宇[12]研究不同地质结构的围岩采用锚杆的加固机理，得出钢拱架是一种被动型结构，所承受的荷载会传递到拱脚或墙脚。上述研究在隧洞开挖初期支护施工方面取得了较为丰硕的成果，促进了隧洞支护技术的发展，但仍存在一些问题有待研究。首先，只研究了一种支护形式对隧洞稳定性的影响；其次，隧洞开挖围岩类别变化大，不同围岩间裂缝及塑性区发育情况都不相同，故支护方式也会发生变化，上述研究没有对比分析不同围岩类别采用同一方式支护时其稳定性变化规律。因此，有必要开展隧洞开挖初期不同围岩采用同一支护形式其稳定性变化规律的研究，并对比分析同一围岩类别不同支护形式的围岩稳定性变化规律。

本文通过现场岩体试验得到材料参数，在有限元强度折减法计算的基础上，采用Mohr-Coulomb屈服准则，利用通用有限元软件ABAQUS研究隧洞开挖初期不同围岩采用不同的支护形式对隧洞稳定性的影响程度。

表1 最大试验压力下岩体变形统计

表2 现场岩体变形试验结果

1 自载式变形试验

1.1 试验方案

本次进行岩体原位试验时，工程正处于施工阶段。为了不影响现场施工进度，本次试验采用基于刚性承压板变形试验改进而来的自载式变形试验方法，试验所需的外荷载由穿过千斤顶和承压板固定在岩体内部的锚杆提供，具有试验速度快、准确度高、对施工影响较小等特点。试验装置见图1。试验采用逐级一次循环法，分5级加压。

图1 自载式岩体变形试验装置

根据工程现场出露的地层岩性，本次试验在Ⅲ类岩体设置12个试验点，Ⅳ类岩体设置20个试验点，Ⅴ类岩体设置4个试验点，依据GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》要求，以4个试验点为1组，共计9组试验，具体试验点布置见图2。

图2 现场原位试验点布置

1.2 试验结果

最大试验压力下岩体变形统计见表1。现场岩体变形试验结果见表2。综合表1、2数据，依据相关规范要求及现场工程地质条件对试验数据进行处理，最终将Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类围岩典型断面的弹性模量分别取3.5、2.0 GPa和0.9 GPa。

代表性试验点岩体应力-位移关系见图3。从图3可知，各类岩体的变形和模量基本稳定，在最大试验压力时，岩体的塑性变形量较大。结合现场工程地质条件可知，岩性软硬、节理裂隙发育程度、饱和度、风化程度等是影响岩体变形和模量的主要因素。岩性越好，节理裂隙发育越少、饱和度越低、风化程度越低，岩体的变形越小，模量越大。

图3 岩体应力-位移关系

图4 Ⅲ类围岩等效塑性应变

3 计算分析

根据工程现场岩体试验成果，各类围岩有限元计算力学参数采用值见表3。

3.1 Ⅲ类围岩

依据计算分析，Ⅲ类围岩等效塑性应变见图4。

表3 围岩有限元计算参数

从图4可知：

(1)Ⅲ类围岩裸洞安全系数为3.81，加锚杆后安全系数为4.0，增加了5%，在施加喷护后安全系数显著增大其值大于10。同时施加锚杆和喷护的初期支护安全系数的变化规律也是如此。

(2)裸洞和加锚杆时等效塑性应变都率先出现在洞室的两侧，最大值分布于隧洞两侧。

(3)裸洞破坏时出现的塑性区明显大于加锚杆支护的塑性区，其原因是锚杆起到加筋作用，增加了土体的抗剪能力，在洞室两侧施加部分锚杆，从而导致塑性区明显向下偏转。

(4)加喷护时在靠近顶部的位置上出现最大等效塑性应变，此位置较裸洞破坏时相比，更紧靠洞室的最上端处。

3.2 Ⅳ类围岩

依据计算分析，Ⅳ类围岩等效塑性应变见图5。从图5可知：

图5 Ⅳ类围岩等效塑性应变

(1)Ⅳ类围岩裸洞安全系数为1.83，加锚杆后为2.11，安全系数提高了15%，施加喷护后安全系数大于10，施加喷护和锚杆支护后安全系数也大于10，说明喷护混凝土对于围岩稳定性的提升在这几种初期支护类型中效果是最明显的。

(2)Ⅳ类围岩设置的锚杆数量多于Ⅲ类围岩，且其布置范围要大于Ⅲ类围岩，洞室两侧都布有锚杆。对比加喷护及加喷护和锚杆2种支护形式可以看出，洞室两侧等效塑性区明显收缩。

3.3 Ⅴ类围岩

依据计算分析，Ⅴ类围岩等效塑性应变见图6。从图6可知：

(1)Ⅴ类围岩裸洞安全系数小于1，加锚杆后安全系数也小于1。对比加钢拱架及加钢拱架和锚杆时的2种支护形式可以看出，加钢拱架和锚杆支护时塑性区有了明显的收缩。

(2)Ⅴ类围岩加喷护后安全系数为2.63，施加锚杆和喷护后安全系数为3.01。

(3)Ⅴ类围岩在开挖初始阶段就出现了较大的等效塑性应变，其安全系数小于1.0，意味着隧洞围岩稳定性差，开挖时需要结合多种初期支护措施施工，并适当进行超前支护，以保证隧洞开挖施工安全。

(4)钢拱架对于塑性区的限制作用较少，但对于承担应力起到了一定的作用。

4 结 论

本文以新疆夏特水电站引水隧洞为例，通过有限元强度折减法，研究隧洞开挖初期不同围岩采用不同的支护形式对其稳定性的影响，得到结论如下：

(1)加锚杆后，围岩塑性区明显缩小，且隧洞围岩安全系数明显提高了5%～15%，安全系数增大主要与隧洞围岩的完整性以及强度有关。由已建模型可以得出，圆形隧洞的等效塑性应变最大值一般出现在隧洞的左右两侧，故可在此区域增设锚杆或增加锚杆长度以达到减小等效塑性应变的效果。

图6 Ⅴ类围岩等效塑性应变

(2)加初期喷护混凝土后，隧洞围岩安全系数明显提高，等效塑性应变值明显减小。隧洞开挖释放应力大部分由喷护的混凝土承担，且利用强度折减法进行计算时也更容易收敛，洞室的顶部位移在施加初期喷护混凝土后也随之大幅度减少。由此可见，喷护混凝土支护对提高围岩安全系数的效果明显。

(3)加喷护混凝土和锚杆与只加喷护混凝土相比，塑性区范围减少，安全系数增加，且隧洞左右两侧的等效塑性应变最大值减小；与只加锚杆相比，安全系数增加较大且计算更容易收敛，等效塑性应变的增加也更加缓慢，从而破坏速度减小。

(4)Ⅴ类围岩的完整性较差，强度低，并且可能存在裂隙发育延伸及断层等情况，相较于Ⅲ类、Ⅳ类围岩开挖需增加更多的支护措施。Ⅴ类围岩在初期开挖时，可采用设置钢拱架与系统锚杆共同作用的方式对其进行初期支护，该组合支护方式极大限制了塑性区的发展。同时，此类围岩在开挖时还需增加超前支护以保证隧洞开挖安全。

(5)塑性区的发展路径基本都是从隧洞左右两侧开始，逐渐向侧下方发展，中间贯通后逐渐再向下发展最后破坏，上部塑性区发展的速度要慢于下部，合适的初期支护措施能有效减缓和限制塑性区的发展。