單薄破碎軟巖隧洞噴錨支護設計研究

李 濤

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 隧洞地質概況

隧洞(隧道與巷道)噴錨支護設計主要有工程類比、理論計算、監控量測及其收斂變形數值分析相結合等3種基本方法。工程類比法應用相對較為廣泛，是在圍巖分類基礎上的經驗法，與工程實踐存在較大關聯；理論計算法受復雜多變的圍巖地質狀況影響大，巖體模型與其物理力學參數合理選擇難度大，計算準確反映施工方式與支護時機等因素亦難，通常僅為參考；現場監控量測及其收斂數值分析相結合法主要是對圍巖和支護體系的穩定性分析，并非設計的單一根據。為此，結合單薄破碎、強度低、易風化、遇水易崩解軟化的泥質云母片巖隧洞噴錨支護監測數值分析設計方法的工程實踐，針對性解決不具顯著塑性流變特性的單薄破碎軟巖隧洞監控量測及其收斂數值分析、信息反饋，以及圍巖和支護體系穩定性判別等問題，并對其進行噴錨支護設計研究。

隧洞主洞埋深20.0～60.0m，屬淺埋隧洞，1條壓扭性大斷層穿越洞線，工程區屬貧水區，巖層褶皺斷裂及節理裂隙發育，巖石破碎，平拱直墻型斷面開挖毛洞跨度9.0m，總高6.7m，直墻高4.4m，頂拱高2.3m。采用平拱直墻型斷面施工輔助平支洞為試驗洞，毛洞跨度1.8m，高1.9m，拱墻噴錨支護，底板鋪墊干硬性混凝土，洞身不進行二次襯砌。試驗洞穿越前寒武系地層深變質巖，巖性主要為單薄泥質云母片巖，單層層厚一般為0.5～2.0cm，最薄0.15cm，圍巖屬IV類。經試驗研究，巖石單軸飽和抗壓強度為0.42MPa，抗拉強度0.03MPa，彈性模量0.53MPa，變形模量0.12MPa，泊松比0.33，抗剪強度內摩擦角31.2°，凝聚力0.14MPa，巖體波速均值3890.0m/s，抗剪強度τ與正應力σ關系曲線如圖1所示。

圖1 巖體τ-σ曲線

主洞及試驗洞圍巖工程地質主要特性為單薄破碎軟巖，埋深淺，強度低，無地下水；易風化為粉狀，風化深近10.0m，層間充填物及節理裂隙切割體微少；巖層傾角與洞軸線交角較大；遇水易崩解軟化；巖體構造應力已釋放；巖層層間擠壓緊密，開挖臨空后層間懈弛，震動后松弛加劇。

2 監控量測及其收斂數值分析結合法

監控量測及其收斂變形數值分析結合法是將定性與定量、類比與分析、現場監控量測相結合的隧洞噴錨支護設計方法，是以圍巖分類為基礎，監測及其收斂數值分析為主體，并作為信息反饋的主要依據，輔助理論計算，綜合判別隧洞圍巖及其支護體系穩定性的可靠方法。先行采用工程類比法設計，并根據隧洞圍巖工程地質特性，按適宜的理論計算方法分析圍巖及其支護體系穩定性，驗證先期噴錨支護設計技術參數，然后在開挖施工過程中對圍巖與支護體系進行監測及其收斂數值分析，按其成果及時調整先期噴錨支護設計參數和施工措施，以適應開挖不斷揭示的圍巖狀況，以及圍巖和支護體系穩定狀態，并著重對巖性、巖體結構、節理裂隙、聲波、地下水活動等進行詳盡地質編錄，及時對穩定狀態作出評估。

2.1 理論計算及有限元分析研究

通過理論計算及有限元分析掌握試驗洞圍巖性狀、驗證噴錨支護先期設計參數，理論計算按圍巖與支護共同作用理念，采用非線性有限元分析將圍巖視為全向同性、均質接續彈塑性介質，僅考慮自重應力作用，隧洞斷面簡化為圓型，按半無限體中的圓孔洞平面應變問題建立計算模型。理論計算主要內容為無支護與支護后懈弛區、塑性區、彈塑性區的位移與應力，計算工況為初始應力場、開挖與支護3種狀態。為驗證先期設計安全性，有限元分析模型按半無限體中的直墻圓拱孔洞平面應變問題建立。計算深度取隧洞埋深42.5m(即毛洞跨度的4.72倍)，洞底下部及洞身外側取90.0m(即毛洞跨度的10.0倍)，按半無限體離散為470個四邊形單元及4個三角形單元，共507個節點，三角形單元按四邊形單元處理。理論計算及有限元分析與實測對比研究成果見表1。計算分析研究表明，支護作用及效果顯著，塑性區支護后位移大為降低，圍巖穩定狀態明顯改善。

表1 理論計算及有限元分析與實測對比成果

2.2 監測斷面及項目

隧洞圍巖及支護體系監控量測斷面布置于具代表性圍巖及特殊地質洞段，避免開挖掌子面及洞口“空間約束效應”影響，間距一般大于1.5～2.0倍毛洞跨度。試驗洞及主洞中布置3個監測斷面和1個輔助觀察斷面，每斷面分為2～3個測試斷面，如圖2所示。隧洞監測項目主要包括洞周收斂與位移、頂拱下沉，圍巖內部與地層位移、洞頂地表沉降；圍巖應力-應變；錨桿軸力與噴層應力；巖體聲波，監測項目、方式、內容、頻次等見表2。

圖2 監測斷面布置(單位：m)

表2 監測項目及內容與頻次

2.3 監測成果分析及信息反饋研究

2.3.1監測成果分析

隧洞圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明：

(1)圍巖擾動區：開挖對洞頂地表基本無影響。

(2)“空間約束效應”影響范圍及位移：開挖掌子面前方距監測斷面近1倍毛洞跨度時圍巖即受輕微擾動，掌子面距后方監測斷面約1.5～2.0倍毛洞跨度時，掌子面的空間約束效應基本消除；開挖掌子面至監測斷面時洞頂周邊位移量約占總量的1/4，洞內位移量約占總量的50.0%～80.0%。

(3)圍巖位移及應變變化規律：位移及應變經18～20d的快速增長后趨于平緩， 35～40d后基本穩定，后續開挖及支護施工對位移-時間曲線有較大影響，產生階梯型突變形態。

(4)支護體系受力狀況：錨桿軸力及噴層應變的變化規律與位移相似，但因支護體系的約束效應，應力仍持續上升且變位受限而滯后10～20d，支護體系具一定安全度。

(5)聲波測試及圍巖懈弛深度：實測圍巖縱波波速均值為3890.0m/s，巖體完整性系數為0.67，結合圍巖內部位移、徑向應變及錨桿軸力等因素綜合判別，圍巖懈弛深度洞身頂拱部約1.62m、側墻部約1.31m。

2.3.2信息反饋

隧洞圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，圍巖位移及懈弛深度頂拱大于側墻，坍塌主要發生于頂拱，頂拱為重點支護部位。洞壁位移不均且兩側不一致，最大位移發生于頂拱中部為5.0mm，其后為右側拱腳4.5mm，側墻最小且上大下小，如圖3所示。因此，結合監測及其收斂數值分析研究成果，將側墻先期支護設計調整為上部噴錨，下部取消錨桿僅噴混凝土，頂拱仍維持噴錨網支護，并向側墻下延30.0cm。

圖3 隧洞圍巖位移量分布(單位：mm)

依據隧洞圍巖懈弛深度研究成果，并結合拉拔試驗及地質編錄成果，對支護體系系統錨桿布置、桿體直徑及長度相應適當調整，洞身頂拱由先期設計間排距1.0m×1.0m、Φ18長3.0m，調整為間距1.2m、排距1.25m、Φ18長2.8m與Φ16長2.2m梅花型間隔交替布置，側墻同時調整為Φ16長1.8m，間排距同頂拱。

根據隧洞圍巖及支護體系監控量測成果，先期噴錨支護一般需緊跟開挖掌子面，因毛洞具一定自穩性，先期支護可滯后掌子面2個施工循環實施。考慮先期支護后圍巖位移速率不超過0.023mm/d，已基本趨于穩定，后期噴錨支護施作時機在先期支護40～50d后進行，距開挖掌子面大于2倍毛洞跨度。

3 圍巖穩定及支護研究

3.1 巖體地質力學特性

隧洞圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，單薄破碎泥質云母片巖主要具彈塑性性狀，且強度低，根據壓力-變形曲線特性，巖體在較小壓力下即產生塑性變形，5.5MPa壓力時彈性變形僅占總變形的17.2%，無顯著流變性狀，如9#測試斷面在垂直恒壓5.0MPa時，22h的巖體相對位移量僅為0.07mm，如圖4所示。圍巖具層間無充填擠壓緊密，且分布較均勻特性，圍巖聲波測試表明，水平與垂直層面縱波波速差值較小，巖體各向異性系數僅為6.2%，圍巖可視為各向均質同性的接續彈塑性介質。根據試驗洞9#測試斷面巖體承壓變形試驗研究所得出的洞周地表沉降曲線如圖5所示，圍巖具較顯著的壓力變形局限性，可采用局部變形理論計算分析。

圖4 9#測試斷面時間-變形曲線

圖5 9#測試斷面地表沉降曲線

3.2 圍巖變形破壞準則

隧洞圍巖抗剪試驗研究成果表明，巖體抗剪強度τ與剪切破壞面上正應力σ間的關系式如下：

τ2=a+bσ

(1)

關系式為二次拋物線型的包絡線，如圖6所示，線上各點C、φ值變化為坐標函數，為確定圍巖破壞準則的一般解析式，可將式(1)改寫為：

圖6 二次拋物線型包絡線

(2)

以2β表示包絡線上M點法線對曲線坐標水平軸(正應力σ軸)的傾角，則建立如下方程組：

(3)

依據二次拋物線型包絡線，以τ、σ、2β表示主應力σ1、σ3，則建立如下方程組：

(4)

將(2)(3)式代入(4)式，再消減σ可得下式：

(5)

式中，τ—巖體抗剪強度，MPa；σ—剪切破壞面上的正應力，MPa；R—圍巖單軸抗壓強度，MPa；A、B—待定系數，B=A0.5；K—巖體抗壓及抗拉強度換算系數，取10.0～20.0。

當σ1、σ3、R已知時，可由(5)式求得系數A，代入(2)式即得巖體變形破壞準則的一般表達式。

3.3 支護設計原則

隧洞圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，圍巖位移及懈弛深度頂拱大于側墻，拱腳和墻腳等應力集中部位變形較大。平拱直墻型斷面隧洞橫向變形坍塌主要發生于頂拱，頂拱是支護的重點部位，頂拱與側墻支護參數需區別對待，應力集中部位加強支護，斷層破碎帶洞段或局部失穩部位，應局部強支護。

3.4 支護時機與空間效應利用

充分發揮圍巖自承能力并力求巖體不產生破壞性懈弛，是“新奧法”噴錨支護原理的基本理念，既盡其所能維持圍巖原始強度，又控制適度變形。噴錨支護施作分期、時機及其參數主要根據圍巖性狀與變形特性確定，圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，單薄破碎泥質云母片巖噴錨支護應分兩期實施，先期支護保證圍巖穩定，后期支護主要為提升安全度。頂拱噴網先期支護有效擬制圍巖大變形，控制適度變形保持整體性，充分發揮圍巖自承能力，減輕作用于支護體系上的變形地壓，限制懈弛地壓，為開挖及后期支護施工安全提供時間和空間。試驗洞支護實踐表明，先期支護噴混凝土厚50.0～80.0mm安全有效。

當噴混凝土支護不能確保圍巖穩定時，需嚴控圍巖變形實施先期支護，圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，對于單薄破碎泥質云母片巖隧洞，先期支護體系采用錨桿具合理性，先期噴混凝土支護后安設錨桿，既發揮錨桿作用，又可利用“空間約束效應”減輕圍巖擾動，洞身頂拱增設鋼筋網支護是必要的。

圍巖變形壓力與支護剛度及施作時機等多因素相關聯，噴層不宜過厚，一般不大于15.0cm，適當增長加密錨桿是增強支護體系的主要措施。當巖體含水率高導致圍巖變形量大，且具顯著流變性時，噴錨支護按“先柔后剛”原則設計，及早實施襯砌并封底。隧洞開挖圍巖臨空并受掌子面持續前推影響，其性狀隨時間延續而改變，特別是應力重分布期變化尤為顯著。因此，隧洞施工過程中不同時段施作支護效果存在差異，需根據開挖揭示的圍巖動態變化，適宜時機實施支護方可取得最優支護效果。

總體研究分析，隧洞支護應遵循“先期及時，后期適時”原則，適時的支護時機確定主要以施作洞段距開挖掌子面距離，以及施作時間與該洞段開挖貫通時間的差值為依據，兩者需同時兼顧。當圍巖穩定時，先期支護可適當滯后，但需控制不超過開挖貫通時間及洞長的1/3(即小于等于t0/3與小于等于L0/3)，如圖7所示。圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，單薄破碎泥質云母片巖隧洞系統錨桿若作為先期支護體系，需在先期噴混凝土達設計強度約25.0%～35.0%(約為1d)時安設；若作為終期支護體系，不應滯后開挖貫通時間及洞長(即小于等于t0與小于等于L0)安設。后期噴混凝土支護一般應在位移變形趨于穩定(即時間及洞長至t1與L1)后實施，利于噴層防裂及防水。

圖7 隧洞開挖后圍巖位移μ-時間t/洞長L關系曲線

圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，對于單薄破碎泥質云母片巖隧洞，合理利用開挖掌子面“空間約束效應”，并減輕圍巖擾動，是達成適時及有效支護的重要措施。隧洞開挖采用光面爆破減弱圍巖擾動，“臺階法”開挖上下臺階洞長差值不大于1/4～1/5“空間約束效應”影響范圍(一般不小于5.0m)，以利用“空間約束效應”減輕下臺階開挖對圍巖擾動，先期及后期支護系統錨桿布設不應超越“空間約束效應”影響范圍。

3.5 圍巖穩定性判別方法及標準

首先依據位移-時間曲線形態定性判別隧洞圍巖穩定性，然后采用位移速率定量判別，均速顯示圍巖趨于失穩，加速顯示即將失穩，減速顯示趨于穩定，零速顯示穩定。排除施工因素，若位移-時間關系曲線產生彎折點，以及位移速率均值超允許位移時，圍巖處于不穩定狀態。圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，對于單薄破碎泥質云母片巖，穩定性按允許位移速率50d內均值不高于0.02mm/d，允許總位移量不高于10.0mm的標準判別，若采用收斂位移判別，則按允許位移加倍標準。

3.6 巖層傾角及走向對圍巖穩定性影響

單薄層狀巖體巖層傾角及走向與洞軸線的交角對圍巖穩定性影響顯著，影響程度見表3。試驗洞圍巖巖層傾角不小于45°，巖層走向與洞軸線交角一般約為70°，傾角及交角均較大，圍巖穩定性良好。圍巖褶皺及裂隙等構造發育部位產生小規模坍塌，巖層傾角較平緩，且走向與洞軸線交角為10°～25°時發生塌方，隧洞勘察設計需注重合理選擇洞軸線。

表3 圍巖結構面與洞軸夾角對穩定性影響程度

3.7 巖體完整性指標

圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，單薄層狀巖體完整性指標應采用相對完整性指標，即如下表達式：

(6)

式中，Rv—巖體相對完整性指標；Vmp—巖體縱波波速均值，m/s；Vmpmax—巖體縱波波速大值的均值，m/s。

Vmp反映巖體結構面對波速的減弱作用，體現完整巖體波速、巖體結構面作用及綜合波速，而Vmpmax主要反映完整及受輕微構造影響的混合較完整巖體波速。

4 結論

(1)隧洞(隧道與巷道)噴錨支護設計的工程類比、理論計算、監控量測及其收斂變形數值分析相結合等3種基本方法各有利弊，均有局限性，需相互補充驗證。隧洞圍巖及支護體系監控量測成果分析研究表明，監控量測及其收斂變形數值分析相結合法具經濟合理性，較工程類比法噴錨支護投資降低約1/3。

(2)單薄破碎軟巖隧洞采用噴錨支護可行，并取得良好的技術經濟成效。

(3)應遵循“先期及時，后期適時”原則確定支護時機。

(4)單薄破碎軟巖隧洞噴錨支護需注重巖層性狀及其與洞軸線的相互關系，注重洞軸線合理選擇及地下水影響。當隧洞埋深與斷面較小，無地下水，以及巖層傾角且走向與洞軸線交角較大時，頂拱可采用噴網支護，反之則需采用噴錨網支護，系統錨桿應為先期支護體系，且布設于“空間約束效應”影響范圍內。

(5)監控量測及其收斂變形數值分析是軟巖隧洞噴錨支護設計的重要方法，需注重收斂位移監測及聲波測試，掌控圍巖動態，判別穩定性，聲波波速反映的巖體相對完整性指標是科學的。

(6)研究成果立足于工程實踐，具一定普遍性，可應用于中小斷面軟巖隧洞噴錨支護設計與施工參考借鑒，對于大跨度、大斷面軟巖隧洞有待進一步深入研究。