破碎巖體隧道圍巖應力承載分布及變形控制研究

高光輝

(中鐵十六局集團第五工程有限公司,河北 唐山 064099)

滇中引水工程具有引水規模大、隧洞線路長、穿越地質條件十分復雜等特點,其中隧洞長611.986km,占線路總長的92.13%,其工程規模和工程技術難度均居世界前列[1-4]。其中楚雄段沿線“滇中紅層”分布最為廣泛,穿越紅層的洞段長度達125.95km,占該段隧洞總長度的88%。不僅如此,沿線較多洞段還出現較多碎屑巖,破碎程度較高,存在大量裂隙節理,抗剪強度低,易松散塌落,圍巖穩定性極差。在該背景下,破碎巖體隧道又因其需快速施工而受到廣泛重視,但破碎巖體抗剪強度低、變形量大的特點給隧道施工與運營安全帶來挑戰[5-7]。

近年來,眾多學者專家對破碎巖體的隧道施工進行了研究。彭文慶等[8]以卡斯特納及基爾斯等理論為基礎,建立了圓形巷道在非靜水壓力下的圍巖力學模型;楊東啟等[9]為解決破碎圍巖變形大、易失穩的問題,提出了“架棚+錨桿(索)+注漿”協同支護方案,支護作用效果較好;李奧等[10]基于上限變分法建立了破碎圍巖的拱頂塌方模型,并結合圍巖塌方特性,推導了隧道位移失穩的全過程曲線;耿博銘[11]通過現場高強度實時監測指導施工,在新高坡破碎圍巖隧道施工過程中取得了良好的控制效果。

綜上所述,目前對破碎圍巖隧洞的相關研究已有較多成果,但目前較多研究成果計算過程復雜,在實際現場施工中計算困難;或是針對礦山方向提出的支護控制方案,在隧洞方面不可完全借鑒,影響了工程應用。因此,本文基于隧洞圍巖主應力差的概念,計算不同隧洞應力比下的重點支護范圍,并通過數值模擬驗證相關計算方法,最后提出支護方案,以期為相關工程提供借鑒。

1 工程概述

664.24km總干渠和611.99km隧洞是滇中引水一期工程的兩張名片,作為國家批準的172項重大水利工程,它具有居于世界前列的規模與技術難度。滇中引水工程,堪稱我國水利建設的里程碑之作,更是節水供水事業進軍新階段的標志性成果。

在建楚雄段伍莊村隧洞進口所揭露的地質條件為侏羅系上統妥甸組上段(J3t2)灰黑色泥灰巖,強風化,巖石硬度低,呈碎屑狀,手易扒碎,見圖1。開挖后洞渣呈散體狀,巖體遇水軟化,圍巖自穩能力極差,圍巖類型為極不穩定的Ⅴ(特)類圍巖,呈薄層狀結構,完整性差,產狀紊亂,并偶爾出現泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾雜,掌子面常見流水,進一步加劇了圍巖強度劣化。該段隧洞埋深不足100m,但初襯結束后出現了較大變形,并且部分洞段還需進行換拱施工,見圖2。

圖1 掌子面圍巖手扒后狀態

圖2 變形洞段換拱施工

2 基于主應力差的隧洞圍巖變形特征分析

隧洞應力分析中,常將隧洞視為圓形,并采用彈性力學中的傳統“半平面理論”將隧洞受力進行分別計算,以此研究“孔口”問題。但在復雜賦存環境下的隧洞圍巖受力狀態采用簡化后的“半平面理論”進行分析明顯是不夠準確的。圖3所示為莫爾應力圓,由幾何方法可得到式(1),由式(1)可以看出,當破壞包絡線參數c與φ給定后,巖體的抗剪強度基本與σ2無關,是否達到極限平衡狀態,直接取決于主應力差值的大小。因此,結合材料力學所提出的“Tresca”應力概念,以主應力差間接表征巖體發生破壞的傳遞規律,可更為直觀地判定互層巖體內結構的穩定性。

圖3 莫爾應力圓

(1)

假設隧洞為圓形,在圍巖應力場中,隧洞圍巖任意一點的應力大小為

(2)

式中:σr為隧洞圍巖單元中任意一點所受到的徑向應力,MPa;σθ為圍巖單元中任意一點所受到的切向應力,MPa;τrθ為圍巖單元中任意一點所受到的切向應力,MPa;R為隧洞半徑,m;r為隧洞圍巖單元中任意一點到圓心的距離,m;θ為圍巖單元中任意一點與水平方向的夾角,(°)。

圓形隧洞中將極坐標下的應力公式轉化為直角坐標系可采用式(3)進行:

(3)

因此,隧洞圍巖的主應力計算公式為

(4)

聯立式(1)～式(4),可得非等壓應力場中隧洞圍巖任意一點單元上的主應力計算公式[12]:

(5)

根據式(5),令σn=γH,可計算得出隧洞在不同側壓系數及圍巖不同距離處的主應力差分布規律,見圖4和圖5。

圖4 λ≤1時在1倍半徑下主應力分布規律

圖5 λ>1時在1倍半徑下主應力分布規律

當λ≤1時距隧洞中心不同距離下的主應力差分布規律見圖4。由圖4可以看出,地應力分布對圍巖主應力差具有重要影響。當λ≤1時,隧洞拱腰處主應力差較大,與研究段隧洞拱腰變形量較大的結果一致。隧洞拱腰存在較大主應力差集中區,隨著圍巖深度的增加主應力差逐漸減小最后趨于穩定,說明隧洞拱腰容易發生破壞,此時拱腰深部是支護較為理想的錨固區域。

當λ>1時距隧洞中心不同距離下的主應力差分布規律見圖5。由圖5可以看出,當λ>1時,主應力差的最大值由隧洞拱腰向隧洞拱頂及底板轉移,且在同樣距離的情況下,λ>1時主應力差值也均大于λ≤1時的值,說明隨著λ的增大,主應力差峰值在不斷向圍巖深部轉移,隧洞圍巖的破壞范圍也隨之增大,隧洞拱頂及底板需更加注意支護效果。隧洞拱頂及底板存在較大主應力差集中區,說明隧洞拱頂及底板容易發生破壞,此時拱頂深部是錨桿支護較為理想的錨固區域,隧洞拱腰可在淺部形成錨固區域。

3 基于主應力差的隧洞圍巖破壞特征

以上理論分析采用主應力差概念較好地對隧洞圍巖破壞區域進行了表征,有限元數值模擬軟件FLAC3D具有能夠為非穩定物理過程提供穩定解的優點,可解決大變形、非線性等眾多有限元程序難以模擬的復雜工程問題,能夠直觀反映巖土體工程中的破壞。因此,本節將采用主應力差對上文理論結果進行驗證,并分析隧洞圍巖的破壞特征。數值模型見圖6。由于伍莊村隧洞進口變形較大洞段埋深不超100m,因此模擬中λ估計取值為0.4。

圖6 數值模型圖

3.1 原支護條件下隧洞位移情況

隧洞在原支護條件下的位移情況見圖7。由圖7可以看出,隧洞拱腰收斂明顯大于拱頂沉降,隧洞拱腰收斂量約為95mm,拱頂沉降量約為37mm。且該模擬未考慮隧洞裂隙水及巖體遇水軟化等問題,實際施工中變形量遠大于該模擬結果。但從模擬結果及實際測量結果可以驗證,隧洞拱腰變形大于拱頂變形。

圖7 原支護條件下隧洞位移情況

3.2 原支護條件下隧洞塑性區發展情況

在原支護條件下隧洞塑性區發展情況見圖8。模擬中隧洞塑性區發展情況與理論計算一致,圍巖從淺部到深部呈“蝶形”形狀發展,拱頂及墊層區域塑性區范圍較少。

圖8 原支護條件隧洞塑性區發展

4 變形處理控制方案

4.1 隧洞變形處理措施

通過理論計算及數值模擬結果得出,該工況下的隧洞,拱腰是重點支護區域,且在支護時還需注意拱肩處向圍巖深部發展的塑性區分布,以防圍巖進一步破壞。因此,在原支護條件下進行了一系列優化處理,原支護方案見圖9。支護措施如下:

a.采取換拱+加強支護措施,并在上、中導部位增加臨時橫撐,增加其穩定性。

b.在原來的支護方案基礎上,鋼支撐間距改為0.5m,預留變形量為20cm,每榀鋼拱架施工8根鎖腳錨桿。

c.注重拱腰位移發展,換拱段拱腰部位每兩榀鋼支撐之間各增設一根φ108注漿大管棚鎖腳,L=6m,壁厚6mm,每根φ108注漿大管棚鎖腳與左右相鄰的鋼支撐,采用厚10mm、寬200mm的鋼板連接成整體。

4.2 隧洞變形處理結果

采用以上支護措施對隧洞進行支護后,圍巖位移得到了很好的控制。隧洞拱頂最大位移量僅為10.2mm,拱腰最大位移量僅為13.6mm,且隧洞也未再出現拱頂垮落現象,支護措施充分利用了支護結構的承載作用,注重隧洞圍巖易變形區域的支護,圍巖控制效果良好。

5 結 論

a.本文基于主應力差概念建立了 破碎巖體隧道圍巖應力分布計算模型,分析結果表明:隨著側壓系數的增加,主應力差峰值區從拱腰向拱頂及底板轉移,圍巖破壞范圍擴大。

b.采用FLAC3D軟件模擬驗證了主應力差分析結果的正確性,模擬結果顯示拱腰變形最大,與理論計算一致。

c.破碎巖體隧道圍巖變形控制應注重易變形區域的支護,提出了換拱、加密支護、設置管棚等改進措施,控制效果良好。