超大跨度扁平地下洞室變形控制標準研究

陶連金， 黃琳昆， 石 城， 張乃嘉

(北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

0 引言

隨著經(jīng)濟、國防等事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)大型地下洞室工程發(fā)展迅速[1]，斷面形式逐漸向大跨度、大斷面方向發(fā)展。根據(jù)地下洞室“軸比論”和新奧法支護原理[2]，地下洞室在設計時需滿足一定的矢跨比要求。在不良圍巖或不利地應力條件下，大跨度洞室需通過增大斷面高度以維持自身穩(wěn)定[3]，造成空間浪費，增加成本；而在良好圍巖條件下，地下洞室可建設成超大跨度、小矢跨比結構型式，極大地節(jié)省施工成本，提高空間利用率，因此，超大跨度扁平地下洞室應運而生[4]。

在施工過程中，圍巖變形便于監(jiān)測，制定圍巖變形控制標準是地下工程施工安全的必要條件。全球首例超大跨度洞室結構——挪威Gj?vik的奧運場館跨度62 m，高度25 m，開挖變形在7～8 mm[5]。我國大型地下工程中，水電廠房起步較早，結構型式以大斷面、高邊墻為主： 錦屏Ⅰ級水電站[6]主廠房孔口累計位移11.57 mm，主變室監(jiān)測點最大位移191.73 mm；雙江口水電站[7]主廠房第1層開挖后各監(jiān)測點4 mm以內(nèi)變形占比84.6%，最大變形14.4 mm；后子巖水電站[8]開挖變形達到50 mm，超過國內(nèi)相同規(guī)模水電站施工變形的平均水平。我國首例大跨度扁平隧道——韓家?guī)X隧道最大變形28 mm；規(guī)模最大的地下軌道交通工程——京張高鐵八達嶺車站[9]大跨段監(jiān)測變形最大值19 mm。總體來看，各工程案例變形量各異，且數(shù)值較發(fā)散。

目前，國內(nèi)外對于隧道變形控制標準進行了規(guī)定，如我國2005版《鐵路隧道設計規(guī)范》、日本《NATM設計施工指南》等，但主要是基于斷面跨度小于16 m的情況制定的，對于超大跨度扁平洞室尚缺乏明確的變形控制標準。隨著越來越多大跨扁平洞室投入建設，建立其變形控制標準對洞室的設計和施工具有重要意義。

本文結合某超大跨度扁平地下洞室，對洞室變形控制標準進行研究。以巖體強度作為評判指標，通過建立洞室沉降變形與圍巖極限應變的關系，計算大跨扁平洞室在不同圍巖條件下的變形控制極限值。本文的研究成果以期為類似工程的設計和施工提供參考。

1 超大跨度洞室變形控制標準

1.1 巖體強度與極限應變

地下巖石工程中常以巖石強度特性作為圍巖穩(wěn)定性評價指標。地下洞室開挖導致圍巖應力重分布，當洞周切向應力超過巖體單軸抗壓強度，則認為巖體發(fā)生破壞。Aydan提出以巖體極限應變εcr作為量化圍巖擠壓程度的指標，即當洞室圍巖應變水平小于此值時，可以在無支護條件下維持自身穩(wěn)定；超過該極限值，就有可能發(fā)生擠壓性問題或者圍巖失穩(wěn)[10]。Sakurai、Hoek、Barla等學者先后將巖體極限應變應用于隧道施工安全等級的評定，相比于采用應力指標，圍巖極限應變更有利于工程監(jiān)測和變形計算，而且地下洞室失穩(wěn)與巖體應變直接相關[11]。

本節(jié)介紹目前應用較為廣泛的幾種巖體極限應變的公式，計算大跨洞室的極限應變。

1.1.1 Sakurai法

Sakurai[12]提出巖體極限應變計算公式如下：

(1)

式中：σcm為巖體單軸抗壓強度；Em為巖體彈性模量。

由于原位巖體壓縮試驗通常難以進行，Sakurai公式的取值相對麻煩，工程實踐中常以工程巖體分類法反映巖體的工程特征。目前，Barton提出的Q值分類法考慮的地質(zhì)因素較全面，是目前應用范圍較廣的分類方法，Singh法和Barton法均是在Sakurai法和Q分類法基礎上的改進。

1.1.2 Singh法

Bhasin等[13]提出巖體強度σcm由完整巖石的單軸抗壓強度和巖體分類共同決定，并提出基于Q分類的σcm經(jīng)驗公式(2)。Singh等[14]通過對若干工程實例巖體數(shù)據(jù)的整理，指出式(2)適用于堅硬巖和完整巖體，即Q>10、σci>100 MPa的巖體。對于Q<10、σci>2 MPa的巖體，Singh等學者提出修正公式(3)。

(2)

σcm=7γQ1/3，Q<10。

(3)

式(2)—(3)中：γ為巖體容重；Q為Barton巖體質(zhì)量指標；σci為完整巖石單軸抗壓強度。

結合Singh等[15]所建立的完整巖石和節(jié)理巖體的強度特性關系公式(4)，可得到Singh法計算的巖體極限應變εcr,見式(5)。

(4)

(5)

式中Ei為完整巖石彈性模量。

1.1.3 Barton法

Barton[16]對大量工程巖體數(shù)據(jù)進行分析，提出Em經(jīng)驗公式。

(6)

結合式(1)和式(4)，得到εcr計算公式。

(7)

1.1.4 Hoek經(jīng)驗法

Hoek等[17]基于大量工程實踐，認為巖體極限應變εcr與σcm/p0相關，提出經(jīng)驗公式如下：

(8)

式中：p0為巖體初始應力水平；pi為支護結構上的圍巖壓力。

該公式適用于隧道半徑為4～16 m、巖石單軸抗壓強度為1～30 MPa、地質(zhì)力學強度指標為10～35的圍巖。

1.1.5 極限應變計算結果

這些年，但凡我每次從老家回來，母親看我坐定，總是先詳細詢問我老家的棗樹、院落、房屋的情況，聽到棗樹垂暮、滿院荒草、屋頂漸漏，她常常深嘆一口氣，幽幽地說：“啥時候能把房子拾掇拾掇，讓我再回去住幾天，看看棗樹、澆澆水，就好了。”可是，老家終究是沒人住的，拾掇了也無用，荒了幾十年，連水電都沒有了，母親看似簡單的要求，卻終難實現(xiàn)。

由于大跨扁平洞室的尺寸(大于50 m)和圍巖條件，Hoek經(jīng)驗法不再適用；巖體質(zhì)量Q值分類法已成功應用于挪威Gj?vik的奧運場館超大跨洞室工程案例。因此，本節(jié)分別采用Singh法和Barton法計算圍巖極限應變，巖石力學參數(shù)引自文獻[18]，計算結果如表1所示。由表可知,Singh法和Barton法計算結果較為接近，本文采用偏于保守的Barton法計算結果。

表1 巖體極限應變

1.2 圍巖臨界變形

本節(jié)通過建立洞室沉降量與圍巖應變的關系，確定大跨洞室變形控制標準[19]。

圖1 洞室拱頂沉降計算模型

文獻[5]中數(shù)值模型計算結果洞室變形以拱頂沉降為主，拱頂沉降占洞室高度比例為0.34%，水平收斂占洞室跨度比例為0.006 4%，水平收斂對洞室變形影響較小。因此，立足于簡化模型原則，假設洞室側墻為剛性。

定義α為洞室矢跨比，則

(9)

由幾何關系可得：

(10)

洞室沉降變形后的半徑和矢跨比分別為：

(11)

(12)

洞室沉降引起的圍巖環(huán)向應變

(13)

據(jù)上述公式，計算出50、60、70 m跨度洞室(矢跨比為0.19)拱頂沉降與圍巖應變關系，見表2。

表2 圍巖應變與拱頂沉降關系

(14)

將式(12)中沉降量S提到等號左邊得到式(15)，可見沉降量S與洞室跨度b成正比。因此，S-ε關系式可表示為式(16)，其中k與洞室矢跨比α有關。

S=b(α-α′)。

(15)

S=bkε。

(16)

采用上述方法計算不同矢跨比洞室的S-ε關系，計算結果如表3所示。

表3 矢跨比α與參數(shù)k關系

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得到參數(shù)k與矢跨比α關系式如下：

(17)

1.3 洞室變形控制標準

由式(16)可知，大跨洞室拱頂沉降量與跨度成正比。本節(jié)提出沉降跨度比S/b作為大跨扁平洞室沉降變形控制標準：

(18)

式中： SF為安全系數(shù)，參考TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》[20]中混凝土強度安全系數(shù)取值，圍巖的安全系數(shù)取3.0。

針對本文中矢跨比為0.19的大跨洞室，結合表1中巖體極限應變值，計算出洞室沉降跨度比S/b如表4所示。

表4 超大跨度扁平洞室變形控制標準

施工過程中，為保證支護結構和作業(yè)人員安全，建立變形監(jiān)控數(shù)據(jù)分級管理機制[21]，如表5所示。

表5 大跨洞室沉降變形分級管理

2 分部施工變形分析

2.1 大跨扁平洞室施工方案

某超大跨度扁平地下洞室，跨度66 m，斷面高度18 m，矢跨比為0.19，高跨比為0.28，如圖2所示。洞室形狀扁平，長度大于100 m，最大埋深120 m。

圖2 開挖步序圖 (單位： m)

工程區(qū)以厚—巨厚層的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主，巖體完整堅硬致密、強度高，抗風化能力強，巖石單軸抗壓強度高于95 MPa。主洞室層理不發(fā)育，且多為整體塊狀結構，產(chǎn)狀穩(wěn)定，結構面粗糙，總體以Ⅱ級圍巖為主，Q值大于10。

超大跨度扁平地下洞室雖具有良好的圍巖條件，但由于跨度大、斷面面積大，無法采用全斷面法、臺階法等傳統(tǒng)開挖方案[22-23]。本工程采用“分部開挖-預留巖柱”方法進行施工，如圖2所示。具體開挖方案如下：

1)開挖中間導洞Ⅰ;

2)采用臺階法開挖側導洞Ⅱ和Ⅲ，上臺階與導洞Ⅰ錯距約10 m；

3)洞室通長范圍內(nèi)的導洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ開挖完成后逐步開挖巖柱Ⅳ；

4)開挖大臺階巖塊Ⅴ。

據(jù)上述開挖方案，可將整體開挖過程分為2個階段：

1)小導洞階段，包括前2個施工階段，在拆除預留巖柱Ⅳ之前，該洞室開挖區(qū)域為1個中間導洞和2個側導洞。

2)大跨洞室階段，包括拆除巖柱Ⅳ和開挖臺階巖塊Ⅴ。

2.2 施工變形分析

在小導洞階段，各導洞跨度相對較小，與一般隧道尺寸接近，施工技術相對成熟，加之圍巖條件良好，因此推斷該階段圍巖變形較小。考慮到鄰近3個導洞相互影響，根據(jù)文獻[24]提出的雙隧普氏拱理論，計算得預留巖柱Ⅳ的寬度大于各導洞間形成聯(lián)合拱的臨界寬度，可認為各導洞上方地壓力拱相互獨立。綜上，在小導洞階段圍巖變形控制標準可參照TB 10003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》。

在大跨洞室階段，隨著巖柱Ⅳ的開挖，各小導洞聯(lián)通形成超大跨度洞室，圍巖應力重分布導致洞室拱頂必將產(chǎn)生較大沉降變形[25]，大跨洞室階段宜采用前節(jié)所述的基于巖體極限應變的大跨洞室變形控制標準。

3 計算方案

本節(jié)通過建立2D有限元模型計算大跨扁平洞室分部開挖引起的圍巖變形，并與所建立的變形控制標準進行對比。

3.1 數(shù)值模型

考慮到研究對象的對稱性，選取模型一半進行計算，如圖3所示。洞室跨度66 m，斷面高度18 m，埋深60 m，詳細幾何參數(shù)如圖2所示。經(jīng)試算，模型側邊界取2倍洞室跨度可消除邊界條件對模型開挖的影響，模型尺寸為165 m×120 m。模型邊界條件設置為底部完全固定，兩側約束法向自由度，頂部為自由面。

3.2 材料模型參數(shù)

假設巖體為連續(xù)均勻介質(zhì)，采用6節(jié)點平面應變單元模擬，服從Mohr-Coulomb強度破壞準則，巖體彈性模量采用式(6)計算，并參考《工程巖體規(guī)范》中圍巖力學參數(shù)建議值范圍，具體參數(shù)如表6所示。支護措施僅考慮250 mm厚CF30混凝土，采用線彈性模型，梁單元模擬，材料參數(shù)按照JG/T 472—2015《鋼纖維混凝土標準規(guī)范》；初期支護與圍巖之間的相互作用采用界面單元模擬，剛性連接，材料屬性與圍巖相同。

表6 材料模型參數(shù)

根據(jù)超大跨度地下洞室成洞條件，巖體初始地應力狀態(tài)對地下洞室穩(wěn)定性影響顯著[26]，大跨洞室選址中應充分考慮地應力條件，選擇利于大跨洞室成洞的地應力環(huán)境。本文所依托工程案例，側壓力系數(shù)為1.66～2.53。本節(jié)假定計算模型中初始地應力均勻分布，2個主應力分別為水平方向和豎直方向，采用式(19)和式(20)計算，λ為側壓力系數(shù)(保守起見，本節(jié)計算中λ取1.0)。

σy=γH。

(19)

σx=λσy。

(20)

3.3 計算結果

圍巖條件Q=10工況下，各監(jiān)測點沉降值隨開挖步的變化曲線如圖4所示，圍巖各開挖階段豎向變形云圖如圖5所示。由圖4和圖5可知，小導洞階段，圍巖沉降變形很小，中間導洞最大沉降1.50 mm，側導洞最大沉降1.70 mm，均低于TB 10003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》中Ⅱ級圍巖雙線隧道拱頂相對下沉臨界值0.03%～0.06%。

圖4 施工監(jiān)測點變形曲線 (Q=10)

大跨洞室階段，圍巖沉降明顯增大，拆除巖柱階段拱頂沉降量占最終變形的78.8%，體現(xiàn)預留巖柱對洞室穩(wěn)定的重要性；拆除巖柱階段，拱頂沉降7.02 mm，開挖大臺階后洞頂沉降6.99 mm，體現(xiàn)了開挖卸載效應。大臺階巖塊Ⅴ開挖前后圍巖變形云圖相近，說明開挖大臺階巖塊Ⅴ對洞室變形影響較小，該規(guī)律與文獻[27]中結論一致。

3.4 結果分析

數(shù)值監(jiān)測結果與控制標準對比見表7。由表7可知，在圍巖條件Q=5、Q=10情況下，大跨洞室沉降變形很小，均滿足變形控制標準，且低于Ⅱ級預警值，證明了在良好圍巖條件下修建大跨扁平洞室的可行性。參考類似工程案例實測變形量(見表8)，Gj?vik奧運場館最終變形在8 mm以內(nèi)，因此，在大跨洞室修建過程中應加強監(jiān)測，嚴格控制變形，充分發(fā)揮圍巖自身良好的承載能力，保證洞室穩(wěn)定。

圖5 分部開挖豎直方向變形云圖 (Q=10) (單位： mm)

表7 數(shù)值監(jiān)測結果與控制標準對比

表8 工程案例對比

4 結論與建議

1) 超大跨度扁平地下洞室拱頂沉降極限值與洞室?guī)缀涡螤睢鷰r強度特性相關，本文提出以“沉降跨度比”作為大跨洞室沉降變形總體控制標準，并建立沉降變形分級管理辦法。

2) 超大跨度扁平洞室采用“分部開挖-預留巖柱”開挖方法，將開挖過程分為小導洞階段和大跨洞室階段，圍巖變形主要發(fā)生在后一階段。小導洞階段洞室沉降標準宜采用現(xiàn)有規(guī)范，大跨洞室階段宜采用本文所述的基于巖體極限應變的大跨洞室變形控制標準。

3) 結合數(shù)值計算結果以及挪威Gj?vik工程案例實測圍巖變形可知，大跨洞室修建過程中應嚴格控制圍巖變形，滿足控制標準，保證洞室穩(wěn)定。

4) 大跨洞室的支護措施如噴錨支護、預應力錨索支護等對控制洞室變形起到重要作用，建議在后續(xù)工作中分析考慮支護措施下的大跨洞室變形控制標準。