盧 兵

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 概況

小浪底引黃工程干線隧洞全長(zhǎng)59.6km，其中樁號(hào)0+000—47+350段為巖石洞，樁號(hào)47+350—59+594段為土洞。土洞采用盾構(gòu)法開(kāi)挖施工，斷面為圓形，內(nèi)徑5.5m。襯砌管片為預(yù)制的寬1.5m、厚0.35m的圓弧狀矩形或梯形混凝土塊，每圈由6片型式各異的管片拼接而成，見(jiàn)圖1所示。為對(duì)管片所受到的圍巖壓力以及管片混凝土和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè)，在樁號(hào)52+700斷面處的管片內(nèi)安裝了傳感器，傳感器類型有土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)和測(cè)縫計(jì)等。

圖1 管片拼接和傳感器安裝位置圖

2 圍巖土壓力特征分析

2.1 圍巖壓力應(yīng)力觀測(cè)

盾構(gòu)法是一種先進(jìn)高效的隧洞開(kāi)挖工藝，主要適用于松散巖地層內(nèi)的隧洞開(kāi)挖。盾構(gòu)法施工時(shí)襯砌管片是即時(shí)安裝的，能夠最大程度保證開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定，減小塑性變形，保證施工安全。但由于襯砌管片與圍巖之間存在約15cm的間隙，所以管片與圍巖并不是在第一時(shí)間就能夠充分接觸，只有等盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)后，再進(jìn)行圍巖與管片間的接觸灌漿，圍巖壓力才能充分施加到管片之上，管片才能真正發(fā)揮支撐作用。

當(dāng)管片與圍巖充分接觸后，洞周土層因應(yīng)力釋放和塑性變形而產(chǎn)生的圍巖壓力就施加到管片上，管片中的各類傳感器就可以觀測(cè)到相應(yīng)的變形。圖2是三支分別安裝于洞頂（E201）、洞腰（E202）和洞底（E203）的土壓力計(jì)所觀測(cè)的圍巖壓力過(guò)程線。

圖2 隧洞各部位圍巖壓力過(guò)程線

該斷面的管片安裝時(shí)間為2017年5月19日，接觸灌漿的時(shí)間為6月29日，從過(guò)程線可以看出，在接觸灌漿之前，圍巖壓力均在0值附近，即圍巖壓力尚未施加到管片。通常情況下，接觸灌漿24～48h之后即可觀測(cè)到圍巖壓力。圍巖壓力的發(fā)展變化過(guò)程可分為驟升段、緩升段和平穩(wěn)段三個(gè)階段。

2.2 圍巖壓力應(yīng)力分析

從管片各部位的土壓力平穩(wěn)段所達(dá)到的壓力特性分析，管片所發(fā)揮的支撐力與灌漿質(zhì)量有較大關(guān)系。由于該斷面管片所預(yù)留的灌漿孔位于洞腰部位，所以洞腰處的圍巖壓力最大達(dá)到841.9kPa，洞底處圍壓最大達(dá)到452.5kPa，但洞頂圍壓最大僅為179.5kPa。從隧洞各部位圍巖壓力過(guò)程線的走勢(shì)特征分析，該斷面處的接觸灌漿的漿液到達(dá)洞頂較為困難，洞頂管片與圍巖并未充分接觸。

盾構(gòu)法施工的土洞，其圍巖壓力特征符合Terzaghi松散體理論和普氏塌落拱理論，所以可先用Terzaghi和普氏公式計(jì)算出最大圍巖壓力，然后用塑性擴(kuò)展理論的Fenner公式計(jì)算出最大支護(hù)抗力，用于驗(yàn)證觀測(cè)數(shù)據(jù)。計(jì)算公式如下：

式中：Pi——支護(hù)抗力，kPa；

P——隧洞周圍地應(yīng)力，kPa；對(duì)松散覆蓋層P=γh，h為上覆土層厚度，m；

γ——為上覆土的重量體積比，kN/m3；

H——隧洞高度，圓形洞為直徑，m；

H1——塌落拱高度，m；

r0——隧洞半徑，m；

R0——塑性擴(kuò)展區(qū)半徑，m；

C——圍巖的凝聚力，kPa；

φ——圍巖的內(nèi)摩擦角，°。

參考該斷面的地質(zhì)資料，上覆土層為低液限粘土、卵石混合土和級(jí)配不良砂等，總厚度52m，平均重度為21.5kN/m3，隧洞半徑2.75m，有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度的凝聚力C＇平均為19.8kPa，φ＇平均為15.5°。經(jīng)計(jì)算，完全產(chǎn)生塑性擴(kuò)展后，理論計(jì)算的最大圍巖壓力為772.2～863.5kPa，但實(shí)際觀測(cè)的支護(hù)抗力為179.5～841.9kPa。從圍巖壓力過(guò)程線分析，圍巖充分塑性擴(kuò)展的時(shí)間在12～14個(gè)月。

為探求圍巖壓力與管片中的鋼筋應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，我們首先對(duì)比了圍巖壓力與鋼筋應(yīng)力的過(guò)程線，參見(jiàn)圖3。

圖3 各部位管片中鋼筋應(yīng)力過(guò)程線

從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍巖塑性擴(kuò)展變形的增加，圍巖壓力及支護(hù)抗力的增大，鋼筋應(yīng)力也隨之增大。圍巖的塑性變形充分?jǐn)U展后的實(shí)際觀測(cè)的最大鋼筋應(yīng)力達(dá)到48.3MPa，圍巖壓力、支護(hù)抗力的理論計(jì)算值與實(shí)際觀測(cè)值的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隧洞圍巖壓力、支護(hù)抗力的計(jì)算值與觀測(cè)值對(duì)比表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)法施工的土質(zhì)隧洞圍巖壓力和支護(hù)抗力的理論計(jì)算，并與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，可以得出初步結(jié)論：實(shí)際觀測(cè)的支護(hù)抗力最大值略小于理論計(jì)算的圍巖壓力值，而平均值比理論值小很多，說(shuō)明目前隧洞支護(hù)處于安全和穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)也說(shuō)明管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理，并偏安全。另外可以發(fā)現(xiàn)，影響管片支護(hù)抗力的因素包括地質(zhì)因素、隧洞規(guī)模、施工方法和施工質(zhì)量等多個(gè)方面，而對(duì)本工程而言，較為突出的影響因素有兩個(gè)：一是管片與圍巖的接觸緊密程度，即接觸灌漿的質(zhì)量；二是管片制作工藝及材料質(zhì)量。