不良地質(zhì)條件下排水隧洞開挖一次支護穩(wěn)定分析

王文學

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610225)

1 概述

對于大埋深下的排水隧洞往往其所處地質(zhì)條件復雜，地下水位較高且地質(zhì)構造應力明顯，尤其是部分位置的巖體質(zhì)量較差(如Ⅴ類圍巖)，從而給隧洞支護襯砌設計帶來較大困難。在隧洞施工中，不良地質(zhì)條件下(Ⅴ類圍巖段)的施工進度通常是制約整個隧洞工程工期的關鍵，而針對Ⅴ類圍巖采用相應合理的開挖、支護手段又是其核心問題［1］。一次支護限制圍巖變形作用顯著，對圍巖安全穩(wěn)定起到重要作用，其穩(wěn)定性直接關系到排水隧洞的質(zhì)量和壽命［2］。

在采用新奧法［3］施工時，隧洞的初期支護是永久襯砌的一部分，它摒棄了傳統(tǒng)礦山法施工中初期支護僅為臨時設施的做法，主張采用錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土、鋼筋柵等手段將圍巖與噴錨支護連成一個整體共同受力，利用圍巖的自承載力將載荷體變成承載體，從而使支護初期就具有抗力，且隨著圍巖變形，支護阻力不斷增加。若將一次支護與襯砌視為整體進行分析，忽視施工過程的時間效應，顯然不能符合新奧法施工的要求。因此，采用面向支護過程的仿真分析更能合理地分析支護的安全性。同時，由于排水隧洞所在地層的構造應力較大，采用二維有限元方法難以反映沿洞軸線方向上圍巖和支護的應力場和位移場分布，為此，筆者擬結合實際工程情況，考慮圍巖初始構造應力，利用三維非線性有限元方法［4］分析不良地質(zhì)條件下一次支護結構的穩(wěn)定性，進而為合理安排支護時機及優(yōu)化支護設計提供依據(jù)。

2 排水隧洞開挖一次支護穩(wěn)定性分析方法

在不良地質(zhì)條件下，尤其是Ⅴ類圍巖主要以強風化巖為主，風化程度較嚴重，整體呈土狀、散體狀且位于地下水位以下，排水洞洞身以滲水為主，局部滴水。Ⅴ類圍巖中排水洞開挖后，應力釋放加劇，變形發(fā)展迅速，圍巖抗壓和抗剪強度低，無法自穩(wěn)，必須立即采取有效措施防止有害變形的發(fā)展，或減緩變形發(fā)展速率，以保證安全施工，對于這種情況，常選擇鋼格柵、錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護作為一次支護的形式。

分析圍巖應力場分布是一次支護設計的前提，而分析支護結構的穩(wěn)定性必須要了解支護結構所受的荷載。對隧洞支護結構起主要作用的荷載是作用在結構表面的開挖巖體的徑向壓力，即常說的圍巖壓力或稱接觸壓力。顯然，隧洞穩(wěn)定性分析、壓力計算、支護設計類型和參數(shù)選定等均與圍巖壓力有關，因此，如何準確確定隧洞圍巖壓力及其分布模式是隧洞穩(wěn)定性計算的重要問題。筆者采用 Drucker-Prager［5］材料模型模擬巖石類材料的彈塑性，運用三維有限元數(shù)值解法并引進ANSYS軟件中單元生死功能，模擬在巖層中隧洞開挖的過程，以反映隧洞開挖前后圍巖的變化，進而研究隧洞一次支護結構受到的圍巖壓力及其分布模式。排水隧洞開挖一次支護穩(wěn)定分析的具體步驟如下:

(1)建立不良地質(zhì)條件下典型斷面圍巖與隧洞開挖及支護的ANSYS三維有限元模型。

(2)施加第一個荷載步，求解初始地應力場。對于重力和水平構造應力產(chǎn)生的初始應力場，施加重力荷載和水平構造應力并考慮巖土的非線性(小變形或有限變形)作非線性靜力分析，得到開挖前圍巖初始應力場σ0。

(3)施加第二個載荷步，即圍巖開挖。不退出ANSYS求解器，將隧洞開挖部分的單元變成“死單元”，保留產(chǎn)生初始應力的荷載步，若需要按一定比例施加初始應力產(chǎn)生的釋放荷載，則在洞室周邊結點施加一個與釋放荷載相應的結點荷載，然后作非線性求解，得到作用在開挖邊界節(jié)點上的荷載增量△σ及相應位移增量△δ。

(4)激活支護單元。利用ANSYS中提供的“生死單元”功能模擬支護結構，在相應的載荷步，重新“激活”襯砌或支護部分的單元并改變單元材料特性，作以后載荷步的非線性靜力分析，從而得到支護結構和圍巖的應力增量△σ和位移增量△ δ。

(5)開挖后的支護應力σ及圍巖位移δ分析。

得到實際的支護變形狀態(tài)是從當前載荷步求解所得到的位移，減去產(chǎn)生初始應力場的第一個載荷步的位移，所得到的應力狀態(tài)就是當前載荷步的應力狀態(tài)。

3 工程實例及計算模型

某排水隧洞斷面形式為圓形，襯砌后隧洞內(nèi)徑為5.6m，實測應力資料顯示該工程區(qū)域內(nèi)的地應力分布特征為:水平最大主應力大于水平最小主應力、大于垂直向應力(SH＞Sh＞Sv)，說明區(qū)域內(nèi)存在明顯的水平構造作用。根據(jù)工程設計資料，選取V類圍巖下的最危險斷面作為一次支護結構穩(wěn)定分析的典型斷面區(qū)域，建立典型區(qū)域的三維有限元模型(圖1)。依據(jù)實測資料，賦予有限元模型材料屬性，施加適當?shù)募s束;采用Solid45單元模擬圍巖和支護結構，Link8單元模擬錨桿，模型單元總數(shù)為3552個。

圖1 圍巖及一次支護結構的三維有限元模型示意圖

3.1 計算斷面的選擇及工況

綜合考慮地下水位、隧洞埋深和水平向最小主應力等因素，確定Ⅴ類圍巖下典型計算斷面參數(shù)及荷載(表1)。

表1 排水隧洞Ⅴ類圍巖典型斷面參數(shù)及荷載表

3.2 模型材料參數(shù)

Ⅴ類圍巖參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實測資料確定，見表2。使用等效彈模法將一次支護的掛網(wǎng)噴混凝土簡化為等效混凝土，即其彈模為掛網(wǎng)與噴混凝土加權平均求得的等效彈模。噴混凝土強度為C25，錨桿鋼筋為II級鋼。

表2 排水隧洞Ⅴ類圍巖計算采用的物理力學參數(shù)表

此外，針對本工程Ⅴ類圍巖風化程度高、整體性差，同時受滲水影響危險性較高的特點，在一次支護中采用鋼筋格柵作為加強支護。建模時，考慮到鋼筋格柵結構復雜，為促進有限元計算收斂并提高計算速度，將鋼筋格柵簡化為等效混凝土，其彈模為鋼支撐與混凝土加權平均求得的等效彈模，而模型尺寸、粘聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比等其他參數(shù)均保持不變，從而可由計算結果分析該等效混凝土是否達到極限強度，若達到極限強度，則還需對鋼筋格柵進行配筋校核。

4 計算結果分析

4.1 Ⅴ類圍巖一次支護后的應力場分布

Ⅴ類圍巖排水洞周圍應力場分布情況(包括最大主應力和最小主應力)如圖2所示。其最大主應力為－0.139MPa，出現(xiàn)在排水洞頂拱和底部的左右兩側(cè)，最小主應力為－1.02MPa，出現(xiàn)在排水洞拱頂和底部，均為壓應力。

4.2 一次支護混凝土層受力分析

圖2 Ⅴ類圍巖最大、最小主應力場分布示意圖(單位:Pa)

由于V類圍巖的分布多靠近隧洞進出口處，故其風化程度高，巖石松散破碎。由于在不同構造應力下一次支護受力情況不同，筆者在文中分析了圍巖與支護在不同構造應力下的應力場分布，以獲得支護和襯砌的受力情況。根據(jù)工程實際情況，V類圍巖的區(qū)域構造應力為0～1.2 MPa。筆者在文中將一次支護承擔的構造應力分為 0，0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa 五個等級，分別計算各等級下一次支護的應力場分布，計算結果見表3，其趨勢見圖3。

表3 Ⅴ類圍巖下一次支護承擔不同構造應力時主應力情況表 /MPa

由于C25混凝土抗壓強度設計值為12.5 MPa，從圖3中可以得到在不同構造應力下一次支護混凝土被壓碎破壞前所能承擔的最大圍巖壓力:當V類圍巖無構造應力、圍巖構造應力分別取0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa 及 1.2MPa 時，一次支護混凝土對應能承擔45%、48%、55%、66%及48%的圍巖壓力。上述情況下，混凝土開裂，導致鋼筋格柵中的鋼筋受力，故需進一步分析鋼筋格柵中鋼筋是否達到極限強度，若其未達到極限強度，鋼筋格柵尚能自穩(wěn)。

圖3 Ⅴ類圍巖下一次支護承擔不同構造應力時壓應力趨勢圖

4.3 鋼筋格柵穩(wěn)定分析與強度校核

Ⅴ類圍巖一次支護中采用鋼筋格柵拱架，拱架主筋由三根鋼筋組成，內(nèi)側(cè)為一根φ28鋼筋、外側(cè)為兩根φ22鋼筋，均為二級鋼筋，極限抗壓強度為310MPa。主筋與若干箍筋、聯(lián)系筋焊接成空間圓拱型桁架，其截面為一個等腰三角形，拱圈尺寸與開挖斷面相同。箍筋為φ8，每榀格柵之間的間距為0.8m，采用φ20鋼筋聯(lián)系，1m環(huán)間距，每榀拱架在頂拱拱腳節(jié)點板處設兩根錨桿。錨桿呈外八字型，水平向上傾角為15°，外露20 cm，與鋼筋格柵拱架主筋焊連。鋼筋格柵拱架在洞外預先按設計支護斷面加工成型，洞內(nèi)人工拼裝。

根據(jù)計算結果分析可知，圍巖與一次支護在拱頂和底部出現(xiàn)了較大的壓應力，鋼筋格柵拱架變形穩(wěn)定較快且整體受壓。隨著鋼筋格柵所承擔的圍巖壓力不斷增大，混凝土和鋼筋的應力也不斷增大。由于混凝土極限抗壓強度遠小于鋼筋的極限抗壓強度，混凝土將首先被壓碎破壞而失去承載能力，此時，可以認為所有的荷載將全部由鋼筋格柵拱架主筋承擔。因此，需要在混凝土發(fā)生破壞時對鋼筋進行強度校核。

由圖3可知，圍巖無構造應力時，一次支護受力最不利。當支護承擔45%圍巖壓力時，襯砌的壓應力為12.5MPa，在達到混凝土極限抗壓強度時將被壓碎(但此時鋼筋尚未破壞)。進而，對鋼筋格柵的受力鋼筋進行強度校核計算，判斷其軸向應力是否超過其極限抗壓強度。經(jīng)計算，當一次支護承擔60%圍巖壓力時，內(nèi)側(cè)φ28鋼筋所承受的壓應力為305MPa，外側(cè)φ22鋼筋所受壓應力為310MPa，達到極限受壓強度;當一次支護承擔65%圍巖壓力時，φ28鋼筋所受壓應力為320 MPa，φ22鋼筋所受壓應力為325MPa，超過極限受壓強度，鋼筋將受壓破壞，造成鋼筋格柵支護失穩(wěn)。故鋼筋格柵支護最大可承擔60%的圍巖變形壓力，剩余的圍巖壓力將由一次支護和襯砌共同承擔。因此，二次支護越早，襯砌承擔的圍巖應力越大，對襯砌的抗破壞能力要求越高，將導致成本增加;二次支護越晚，圍巖變形越大，一次支護承擔圍巖壓力越大，易破壞失穩(wěn)。

5 結語

在不良地質(zhì)條件下排水隧洞開挖一次支護的穩(wěn)定對控制圍巖變形、保證排水洞施工期安全性具有重要意義。筆者在考慮初始地應場作用下，采用三維有限元方法及單元生死法模擬隧洞開挖及一次支護過程，對典型斷面下隧洞開挖及一次支護進行了有限元仿真分析，得到以下結論:

(1)在V類圍巖無水平構造應力時為最不利情況，一次支護噴混凝土層僅能承擔45%的圍巖壓力。

(2)當一次支護承擔60%以上的圍巖變形壓力時，噴混凝土層被破壞，且鋼筋格柵中的鋼筋超過極限受壓強度，鋼筋將受壓破壞，鋼筋格柵失穩(wěn)。

因此，在施工過程中須實時監(jiān)測圍巖的變形，合理選擇二次支護時機，以保證一次支護結構的穩(wěn)定，同時充分發(fā)揮襯砌的作用，進而保證排水洞施工期和運行期的安全。

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