黃土圍巖輸水隧洞開挖支護變形分析

蘇 丹，孟 明

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

岱海生態應急補水工程的任務是在黃河豐水年份自黃河干流取水，向烏蘭察布市岱海進行生態應急補水，通過跨流域調水，增加岱海補水量，遏制岱海湖湖面萎縮，使岱海湖面面積達到50～70km2。工程主要由加壓泵站、預沉池、輸水管道、隧洞及其附屬建筑物等組成，該工程為中型III等工程，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。一級泵站工程、預沉池工程、二級泵站工程、三級泵站工程、管道工程、1號隧洞工程、2號隧洞工程和3號隧洞工程為主要建筑物。一級加壓泵站設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為100年一遇；其余建筑物設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為50年一遇。工程設計采用“三級加壓+兩級重力”的輸水方案，總輸水距離134.24km。輸水線路自黃河干流引水，途經托克托縣、和林格爾縣、烏蘭察布的涼城縣，接入弓壩河后入岱海，工程設計引水流量為3.02m3/s，年最大取水量為4466萬m3。

1號隧洞為黃土洞段，2號隧洞為Ⅱ類～Ⅴ類圍巖洞段，3號隧洞為Ⅴ類圍巖洞段和土洞段，隧洞均為無壓洞。本次設計選取1#洞，選取典型斷面進行計算分析。

2 1#洞黃土圍巖地質情況

1#隧洞入口巖性為黃土，具有輕微濕陷性，抗沖刷能力差。洞身段巖性以新近系上新統(N2)泥巖為主，局部夾砂巖，棕紅色，硬塑狀～堅硬狀，固結成巖作用差，泥質膠結，遇水易軟化，失水易開裂崩解，且分布有多層鈣質結核及結核層(鉆探揭露單層最大厚度為0.6m)，洞身范圍內鈣質結核層面積約占斷面的20%～30%，鈣質結核層為緩傾角，在洞身內可能延伸較長，可能會增加開挖難度，建議提前做好施工準備。隧洞圍巖類別為Ⅴ類，按照土洞進行設計。隧洞出口巖性為黃土狀輕粉質壤土，具有輕微濕陷性，抗沖刷能力差，需對洞臉采取處理和保護措施，洞臉邊坡建議坡比為1∶1.50～1∶1.75。出口臨近較深的黃土凹坑，需對凹坑進行處理防止進一步塌陷影響隧洞出口安全。

3 圍巖穩定評估依據

圍巖穩定性是地下建筑工程研究的核心，但至今還未有判定圍巖穩定性的標準。從理論分析可知，控制圍巖失穩的作用可以通過限制圍巖受拉區、塑性區和松馳區的最大范圍，或限制隧洞洞室周邊的最大位移量，或限制洞室的最小支護抗力值。但其目前仍缺乏統一的標準量值作為衡量的依據，主要還是根據設計人員的經驗和類似的工程案例來綜合考慮后確定[1-4]。SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護技術規范》中表4.2.7，和GB 50086—2015《巖土錨桿噴射混凝土支護工程技術規范》中表7.3.10，都給出評估圍巖穩定狀態的允許相對收斂值，圍巖類別有Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類，分別對應隧洞小于50、50～300m和大于300m的埋深，有不同的圍巖變形的數值指標，如總變形量超過表中規定的允許值，應修正支護參數。本次分析依據該規定并結合計算所得圍巖塑性區成果評估圍巖的穩定及支護的效果。

根據地勘資料，1#洞的平均埋深均在50m以下，因此采用隧洞埋深小于50m的收斂值指標控制。

4 計算方法及模型

隧洞開挖支護變形計算分析采用Midas GTS軟件，采用有限元法，選取洞身段不利剖面，建立2D地層-結構模型，對隧洞的開挖支護進行分析計算，采用“荷載釋放系數”來模擬洞室周圍的初始應力隨開挖、卸荷、支護等過程，而在空間和時間上產生的作用效應。對隧洞開挖支護過程中，圍巖變形、鋼拱架、錨桿以及支護結構的受力情況進行模擬分析。各開挖步驟承載階段的荷載釋放系數在圍巖中，可按照JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》中表9.2.5的規定采用。圍巖的開挖卸荷采用“修正摩爾-庫倫”的本構模型進行分析，該本構比“摩爾-庫倫”更適合模擬隧洞巖體開挖、卸荷的情況。初期采用的錨噴支護、鋼拱架，以及二次襯砌結構采用“彈性”本構模型進行分析；超前支護的效應采用提高超前支護范圍內的圍巖參數進行模擬。

計算過程中通過鈍化和激活相關單元，模擬圍巖中隧洞開挖及支護的各個施工工序。因為每進行一步開挖或者支護的工序，一定范圍內的巖體應力應變狀態都會發生變化，圍巖應力重分配后進入新的平衡狀態。因此，越細致的模擬施工過程中的開挖和支護的各道工序，才能更準確地進行圍巖的變形分析。

模型計算邊界范圍取隧洞開挖斷面3～5倍的開挖寬度(或高度)的范圍。根據工程經驗和理論分析結果，地下洞室開挖引起的圍巖應力應變的改變，在開挖洞室斷面3～5倍開挖寬度或高度的區域內才有較明顯的影響。而根據圣維南原理，開挖卸荷造成的圍巖擾動影響會隨距離開挖斷面的漸遠而漸弱漸消失。因此，模型的自然邊界距離開挖部位較遠時，沒有分析的必要，只需在有效的區域范圍內進行分析。

5 開挖支護變形分析

5.1 不做超前支護的開挖變形分析

首先對1#洞黃土圍巖的隧洞斷面，在不進行超前支護的情況下進行建模分析，直接開挖洞室，開挖之后再進行支護，位移云圖如圖1—2所示。

圖1 1#洞黃土圍巖不做超前支護整體坐標水平位移圖

從圖1和圖2的位移數據可知，水平向的最大位置發生在側墻底部1/4處，最大位移為向洞內移動23.9mm，垂直向的最大位移發生在洞軸線的頂拱和底板上，頂拱向下部沉降26.6mm，底部向上部隆起17.6mm。水平收斂變形相對值為1.54%，垂直收斂變形相對值為1.3%，超出規范允許變形相對值0.2%～0.8%的限值。因此，黃土圍巖的洞段需考慮頂部的超前支護措施，以及開挖后及時進行鋼拱架、噴錨支護的措施，對變形區域加強支護。

圖2 1#洞黃土圍巖不做超前支護整體坐標垂直位移圖

5.2 增加超前支護等措施的開挖變形分析

根據隧洞沿線的地質情況，在軟弱圍巖的地層條件中施工，常用的施工型式是超前支護、錨噴支護、鋼拱架相結合[5-6]。因此設計在隧洞開挖前采用小導管超前支護，根據SL 377—2007，結合類似工程經驗，按工程類比法，擬定1#洞一次支護設計參數：

小導管采用直徑42mm無縫鋼管，單根長3.5m，壁厚3.5mm，環向間距0.5m。開挖后在隧洞直墻段及頂拱范圍內施打錨桿、掛網及鋼支撐，系統錨桿長2.0m，頂拱錨桿采用25mm直徑的自進式中空注漿錨桿，側墻錨桿采用22mm直徑的普通砂漿錨桿，采用HRB400級鋼筋，間距為1.0m×1.0m，梅花形布置，掛Ф8和150mm×150mm單層鋼筋網，鋼拱架采用I14工字鋼加工，縱向間距0.5～0.8m，噴15cm厚C20混凝土。對采用超前支護和開挖后的加強支護措施后，對開挖變形再次進行分析，位移等結構受力云圖如圖3—7所示，見表1。

表1 1#洞支護方案典型斷面圍巖變形指標

圖3 1#洞黃土圍巖整體坐標水平位移圖

圖4 1#洞黃土圍巖整體坐標垂直位移圖

圖5 1#洞黃土圍巖鋼拱架軸力圖

圖6 1#洞黃土圍巖鋼拱架剪力圖

圖7 1#洞黃土圍巖鋼拱架彎矩圖

從圍巖的變形云圖可知，拱頂和底板的變形較大，施工階段應加強拱頂和拱腳處支護混凝土的施工質量，確保鋼拱架保護層的厚度。從鋼拱架的內力圖可知，工字鋼在拱頂、拱腳處的軸力大，彎矩也大，因此可知在拱頂和拱腳處圍巖應力較大。隧洞開挖卸荷后，在圍巖充分發揮自穩的情況下，應早盡早的進行工字鋼等初支結構和二次襯砌結構的施工[7]，防止由于拱頂、拱腳處的圍巖應力過大而產生工字鋼變形、隧道塌方等嚴重現象。

6 結語

綜合上述分析和計算結果，在黃土圍巖的設計和施工過程中，地層垂直向的最大位移都發生在拱頂，且一般超過規范允許的沉降值，因此需考慮超前支護措施，來控制洞室圍巖卸荷后的變形量；隧洞開挖后，鋼拱架為拱頂部位受壓，側墻底部受拉，因此要加強鋼拱架的穩固性，噴混凝土要及時，對圍巖進行保護防止過度擾動。建議盡快開展襯砌的施工，令一次支護與二次襯砌結構盡早共同承擔圍巖的變形，采取必要的監測手段，分析和預判圍巖的變形趨勢，以便及時調整支護設計方案，更有利于工程施工的安全。