软弱围岩引水隧洞初期开挖稳定性研究

2022-08-09郑亚津张宇驰

水利科技与经济 2022年7期

郑亚津，张宇驰

(1.上饶市水利电力勘测设计院，江西上饶 334000；2.南昌经济技术开发区社会发展局，南昌 330013)

1 概述

浅埋地层属于隧洞工程不可避免的情况，其组成主要为破碎围岩带，质地软弱，属不良地质段。浅埋隧洞围岩风化破碎导致围岩受力复杂。浅埋隧洞难以形成承载拱，且风化带、软弱围岩、地形偏压等不利情况对隧洞开挖极为不利[1]。在隧洞开挖和完成后，变形会增加，如拱顶快速下沉、隧洞空间收缩、地面开裂等[2-3]。

本文通过数值分析软件，针对引水隧洞工程的开挖进行模拟，建立二维模型，模拟在开挖过程中围岩的受力状态，探究在开挖过程中隧洞围岩应力，水平、竖向位移随着开挖进度的相对应的数值变化。同时，结合隧洞围岩稳定性理论，为隧洞开挖提供相应的工程经验。

2 浅埋隧洞围岩稳定性理论分析

2.1 浅埋隧洞划分标准

《隧道设计规范》(JTG D70-2-2014)考虑了等效荷载高度；确定浅埋隧洞分界标准时，还考虑了隧洞的施工方式与地质条件。浅埋隧洞分界深度公式可依据等效荷载高度来判定：

Hp=(2～2.5)hp

(1)

式中：Hp为浅埋隧洞分界深度；hp为荷载等效高度。

hp=0.45×2S-1ω

(2)

式中：S为围岩级别；ω为宽度影响系数。

ω=1+i(B-5)

(3)

式中：B为隧洞宽度；i为隧洞每变化1 m为参考的围岩增加率。围岩垂直压力标准取隧洞宽5 m时围岩压力，B<5 m时，i为0.2；B>5 m时，i为0.1。

2.2 隧洞断面划分标准

国际隧洞协会规定，小断面隧洞净空断面积小于10 m2，中断面隧洞净空断面积小于50 m2，大断面隧洞净空断面积小于100 m2。日本隧洞协会规定，标准断面开挖面积小于80 m2，大断面开挖面面积小于120 m2，超大断面开挖面积大于140 m2。而我国则根据开挖跨度小于6 m的隧洞定义为小断面，6～1 m的定义为中断面，大于10 m的定义为大断面。

因此，我们认为大断面隧洞开挖跨度大于10 m。

2.3 浅埋大断面隧洞力学特征

跨度大、埋深浅是大断面隧洞普遍具有的特征，其外形也通常呈扁平拱状。

2.3.1 应力分布特征

受力分析对象为隧洞侧面的三角形滑块，将F定义为支护阻力合力，三角形竖边与该力所成夹角为θ+φ，具体见图1。

图1 断面应力分布

根据静力平衡可推出：

qhtanθ+G-Nsinθ-Tcosθ-Fcos(θ+φ)

Fsin(θ+φ)+Tsinθ-Ncosθ=0

(4)

隧洞围岩在滑裂面上采用的本构关系为摩尔-库伦准则，公式如下：

T=Ntanφ+cl

(5)

式中：滑裂面长为l=h/cosθ

将式(1)与式(2)联立可得：

(6)

式中：三角形破裂体自重G=γh2tanθ/2。

Fx=Fsin(θ+φ)

sin(θ+φ)

(7)

若应力在竖直方向分布均匀，则隧洞洞室沿深度的平均水平压力计算公式如下：

(8)

2.3.2 应力重分布特征(开挖后)

当应力重分布完成后，应力多集中在隧洞脚底。由于拱顶稳定性差，大断面隧洞即使在围岩条件较好时也会出现较大塑性变形，因此应力重分布发展越发不利。

2.3.3 围岩应力分布特征(上部)

形成承载拱作用需要较大的埋深，而大断面隧洞一般深度较浅，难以形成承载拱，在上部围岩将产生松弛应力，且应力值较大。

3 算例分析

3.1 工程概况

某引水隧洞围岩主要为V级、IV级，最大隧洞埋深为748 m，高程在1 485～1 543 m之间，相对高程57 m，主要地层为第四系冲洪积(Qal+pl)、第四系坡残积(Qdl+el)层、白垩系上统勐野井组(K2me)岩层。黏土及粉砂质泥岩分布在隧洞进口。黏土状态为可塑，粉质砂岩属强风化，岩体为破碎状土块松散结构，有丰富地表水，岩体内构造裂隙发育，淋雨或流出水现象在开挖时会出现。隧洞全长5 567 m，衬砌断面为r=5.5 m的单心圆，内轮廓净空宽11 m、高7.1 m，开挖半径为6.2 m。初期支护中，锚杆长度为3 m，间距为1.5 m，布置形式为梅花形。喷射混凝土厚度取250 mm，选用18工字钢做钢支撑，二次衬砌厚度为500 mm，二次衬砌与初期支护之间布设塑料防水板。

3.2 不同围岩对隧洞围岩稳定性影响

3.2.1 计算模型

隧洞围岩的分级所对应的稳定性是不尽相同的，大断面浅埋隧洞围岩一般较软弱，因此本文重点研究IV、V、VI级围岩所对应的隧洞围岩稳定性。

3.2.1.1 模型建立

以研究区域隧洞断面作参考面建立相关模型，开挖隧洞采用上下台阶法，开挖宽度取12.2 m，高度取9.32 m，隧洞模型水平取值范围考虑到消除边界影响，需取开挖深度值的4倍，竖向取值范围为从地表至开挖深度3.2倍。模型尺寸取100 m×64 m。模型水平移动由左右边界限制，竖向移动由下边界限制，自由面为上边界。隧洞围岩和衬砌采用实体单元。计算模型见图2。

图2 计算模型

3.2.1.2 计算参数

计算所取参数来源于岩体分级参数和实测值，具体参数见表1。

表1 围岩和支护力学指标

3.2.1.3 施工模拟

1)上下台阶法。此工法先开挖隧洞上半面，当开挖长度达到一定后开始开挖下半面，具体施工步骤见图3。

图3 上下台阶法施工断面图

由于隧洞横向尺寸远小于纵向尺寸，因此取每延米建立模型可以将三维问题转变为平面问题来处理。假设不考虑二衬条件，隧洞开挖步骤为：①初始应力场平衡；②开挖上台阶；③上部支护，激活衬砌单元；④下台阶开挖；⑤下部支护，激活衬砌。

2)测点布置。隧洞截面特征点是监测位移的测点，具体布置见图4。

图4 监测点布设

3.2.2 不同工况计算分析

3.2.2.1 围岩位移

图5为不同围岩工况条件下位移监测图。图5中监测点数字编号对应图4中的监测点位置，具体为1-拱顶、2-拱肩、3-拱腰、4-拱脚、5-拱底。

图5 不同围岩隧洞监测点位移

从图5可看出，隧洞在开挖以后对土体产生扰动，土层由于卸载和自重应力作用使隧洞整个轮廓围岩都产生了竖向位移，拱顶、拱肩、拱腰处都产生了向下的位移，拱脚和拱底则产生了向上的位移。隧洞开挖时，水平位移多出现在拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底处。水平位移正向均为临空一侧。在相同工况下，隧洞产生的竖向位移大于水平位移。当围岩级别改变时，隧洞产生的竖向位移和水平位移也相应发生变化。IV级围岩隧洞产生的位移最小，VI级围岩隧洞产生的位移最大。竖向位移中最大沉降发生在拱顶，为6.5 mm，最大隆起发生在拱底处，值为7.8 mm；水平位移最大发生在拱脚处，为3.6 mm。随着围岩级别变化，IV级围岩更趋于稳定，VI级围岩更加不稳定。因此，若隧洞经过VI级围岩时需注意加强支护，加密监测频率，保证隧洞稳定。

3.2.2.2 地表沉降

图6为不同工况地表沉降。从图6可看出，隧洞围岩产生的竖向位移是导致地面发生沉降的主要原因，地表沉降曲线与Peck沉降槽曲线相吻合。地面沉降在隧洞中心点上方为最大，达到3.58 mm，随着距离隧洞中心点越远，地面沉降值越小。从图6中还可看出，随着围岩等级的减少，地表沉降值也在逐渐增大，表明隧洞在穿越VI级隧洞时，要加强隧洞支护，严格监测地表沉降值。

图6 地表沉降

3.2.2.3 围岩应力

图7为不同工况时围岩的最大主应力和最小主应力。从图7中可看出，隧洞开挖导致隧洞顶部和底部围岩应力产生释放，应力则集中发生在拱顶、拱腰和拱底处。最大拉应力出现在隧洞拱顶处，为450 kPa；最小主应力是拱底压应力，最大值为4.5 MPa。，最大主应力和最小主应力也随着围岩等级减小相应变小。IV级围岩与V级围岩差别不大，与VI级围岩的应力位移相比差别较大，所以VI级围岩属最不稳定。隧洞穿越VI级围岩时，需加强支护与监测，保证隧洞的稳定性。