输水隧洞围岩支护结构受力变形分析

褚秀军

(山西省大同市浑源县水利灌溉服务中心，山西 大同 037400)

0 前 言

隧洞在施工和运营期间经常发生底部上鼓、拱底下沉、开裂以及围岩变形等问题[1-3]，严重威胁到施工人员的安全并延误工期，在隧洞运行过程中导致行车中断。关于深埋输水隧洞的围岩-支护体系安全控制问题，学者们主要采用理论分析、数值模拟和现场试验3种手段进行了丰富的研究。焦斌权等人[4]采用数值模拟的分析方法，就隧道围岩-支护体系的稳定性进行了研究。张玉伟和王琪[5]研究分析了山岭隧道施工过程中，不同围岩条件对支护体系效果的影响。陈远志[6]基于某隧道为研究背景，采用数值分析方法分析了大跨度隧道围岩和支护体系的力学稳定性，并对比了实测数据证明了结论的正确性。李铮和何川等人[7]又结合现场实测和数值模拟的方法，研究分析了在施工过程中，震裂软岩隧洞围岩-支护体系的结构稳定性及其破坏形态。以上研究缺少对上述综述内容的一个整体评价，关于深埋输水隧洞的支护设计技术标准较为缺乏，在隧洞设计和施工的相关规范中无切实可行的方法。因此，如何确定深埋输水隧洞的合理支护方案以及解决围岩支护体系的安全控制问题需要更加深入的研究。

本文以山西中部引黄输水隧洞工程为研究背景，分析旋喷混凝土、钢拱架和锚杆支护下的围岩支护强度、支护时间对承载力特征，提出围岩-支护体系的评价指标，对围岩-支护体系的安全稳定性及适用性进行评价，以期为类似工程提供理论指导。

1 工程概况

1.1 输水隧洞特征

中部引黄工程是山西省“四大骨干工程”之一。工程引水源为山西保德县的黄河天桥水电站，输水隧洞途径忻州、吕梁、晋中、临汾四市，规划年供水6.02亿m3。中部引黄工程是山西输水线路最长、投资规模最大、受益人口最多的引水工程。

中铁二十五局承建的中部引黄工程5标段地处保德县境内，全长24.33 km，属于引黄工程的控制性工程，施工过程中存在隧洞断面小、坡度大、通风难度大，隧洞内围岩地质稳定低、掌子面小，无法使用大型机械、施工效率低的施工特点。地质勘查表明，隧洞地质结构异常复杂，围岩赋存大型溶洞、膨胀岩、突泥突水、断层破碎带等不良地质，施工难度大、安全系数低。

1.2 隧洞围岩支护工艺

古典压力理论[1]认为支护上部荷载等同于上覆围岩失稳自重；坍落拱理论认为隧道围岩上方会形成塌落拱[5]，支护荷载主要来源于拱内围岩自重。随着能量支护理论的提出，既有研究开始考虑支护结构与围岩间存在的相互作用和共同变形。工程实践中，日本采用可缩式钢架支撑和8～14.50 m的长锚杆对惠那山隧道进行了加固处理，奥地利采用9～12 m长锚杆对阿尔贝格隧道进行了加固处理。因此，通过预留变形量、加强锚杆支护和衬砌加强等方式可有效控制隧洞围岩变形。预留变形量工程经验标准见表1。

表1 预留变形量工程经验标准

1.3 围岩-支护体系安全控制标准

对于深埋输水隧洞，其围岩-支护体系的破坏表现形式在表2中给出。

表2 围岩-支护体系的破坏表现形式

关于围岩-支护体系的安全控制指标常用的有两种方法，第一种是根据围岩-支护体系的系统总体位移进行控制，其计算公式如下：

(1)

公式(1)中:Ulimit是围岩-支护体系的极限位移，一般取值为围岩预留变形量，cm；U为通过监测或计算得到的阶段位移,cm。

围岩-支护体系的安全控制原则是将围岩的变形控制在TZ 204-2008《铁路隧道工程施工技术指南》[8]规定的容许范围内，并且建立相关的隧洞位移分段控制标准，其控制标准如表3所示。

表3 隧洞位移控制标准

除根据围岩-支护体系的系统总体位移进行控制外，另一种控制方法时根据围岩-支护体系的承载状态进行控制，其计算公式如下：

(2)

公式(2)中:Plimit是支护结构的极限承载值,MPa；Pi是可以通过监测或者计算得到的支护结构所承受的荷载值,kN。在工程实践中要求支护结构所承受的荷载值小于极限承载值；并且当二次衬砌施工时间较早时，支护结构控制标准Ksupport≧1.0，并且当二次衬砌施工时间较晚时，支护结构控制标准Ksupport≧1.2。

2 围岩-支护体相互作用分析

本研究基于已有的芬纳修正变形压力公式以及卡柯松动压力公式给出了一种判断围岩支护体系结构承担压力的计算公式，其公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

公式(6)中：G为剪切模量，GPa；up′为临界位移，m。由此可知，当u>up′时，仅考虑围岩体系松动压力，符合刚塑性介质模型；反之则考虑变形压力。

本节以某工程实际隧洞为例，选取了桩号为DLI20+500.00 m的断面，基于上述理论公式，研究分析了隧洞的支护时间和支护强度之间的关系。该隧洞围岩类别为Ⅴ类泥质岩，该隧洞埋深为600 m，开挖洞径为10 m，与隧洞相关的岩体力学参数在表4中给出，隧洞的支护相关参数在表5中给出。在开挖过程中该隧洞采取了加大预留变形量和短台阶开挖以及强支护等措施来确保隧道的安全稳定性。

表4 隧洞岩体力学参数

表5 隧洞支护参数

图1给出了通过计算得到的隧洞围岩的纵向位移曲线和围岩特征曲线随不同支护时间对应的支护抗力值关系曲线(X为隧洞拱顶沉降位移，下同)，由图可知，当滞后掌子面1 m开始进行支护施工作业时，隧洞的边界位移为0.074 m，相应的隧洞围岩支护抗力为2.10 MPa；当滞后掌子面5 m开始进行支护施工作业时，隧洞的边界位移为0.132 m，相应的隧洞围岩支护抗力为0.85 MPa。

图1 隧洞支护时间和支护强度关系

图2给出了让压支护结构作用曲线，可以看出大洞径的隧洞支护力和支护强度要达到2 MPa以上，但是这一数值通过旋喷混凝土和锚杆支护以及钢拱架是很难实现的。表5中给出的隧洞3种支护方式能提供的支护强度大约为1.35 MPa，结合现实工程情况，其整体的承载能力还会有所减小。因此，在工程中经常采用强支硬顶并迅速进行二次衬砌和让围岩发生充分变形(预留足够的变形量，采用让压支护、适当延迟支护时间)两种方式来解决初期支护强度不足的问题。

图2 让压支护结构作用曲线

根据JT/TD70-2010《公路隧道设计细则》可以确定不同支护形式对应的支护结构刚度比值关系。在VZ-B型支护中，旋喷混凝土、锚杆和钢拱架的刚度比值为20.9∶1.0∶4.25，极限承载比为5∶1∶4。图3为VZ-B支护结构作用曲线图，由图3可知，在对隧洞进行支护处理(滞后掌子面5 m开始进行支护施工作业)后，当隧洞边界位移为0.138 m时，旋喷混凝土支护方式最先达到承载极限值0.65 MPa，此时钢拱架和锚杆支护的承载值分别为0.15 MPa和0.04 MPa。此时，整个支护体系的承载力为0.84 MPa小于所需要的隧洞围岩支护抗力0.85 MPa，因此围岩处于失稳状态，安全系数(承载状态安全系数0.84/0.85=0.99)是小于1.0的，不满足围岩-支护体系的安全稳定性控制标准。

图3 VZ-B型支护结构作用曲线

由上述内容可知，支护体系由于旋喷混凝土的刚度远大于其余两种方式，从而最先达到破坏，进而使得整个体系无法满足承载状态安全稳定。但是，在实际现场施工作业时，混凝土的刚度和强度随时间增加而不是趋于稳定。针对此现象，本节简单考虑了旋喷混凝土的弹性模量刚度折减值为0.7，给出了考虑旋喷混凝土弹模折减后的支护结构作用曲线。由图4可知，考虑混凝土弹模折减后，钢拱架和锚杆支护作用的承载比增大，其比例为旋喷混凝土∶钢拱架∶锚杆=11.5∶4.0∶1.0。此时，旋喷混凝土、钢拱架和锚杆支护的承载值分别为0.59、0.22和0.05 MPa。通过计算可得：Ksupport=1.13、Krock-support=1.07，即支护体系承载安全指标和围岩变形收敛安全指标分别是1.13、1.07。这一数值大于1，符合规范标准要求，因此，此种方式的隧洞支护强度满足要求。

图4 旋喷混凝土弹模折减后支护结构作用曲线

3 结 论

本研究以山西中部引黄输水隧洞工程为例，对比分析了旋喷混凝土、钢拱架和锚杆3种支护结构对围岩支护效果的影响，并评价了围岩-支护体系的安全稳定性，形成结论如下：

(1) 结合围岩-支护体系的破坏原因，提出了总体位移和支护结构承载力的评价指标，并对围岩-支护体系安全性进行评价。针对大洞径的隧洞支护，通过旋喷混凝土和锚杆支护以及钢拱架是很难保证隧洞稳定性。采用强支硬顶并迅速进行二次衬砌、围岩发生充分变形可有效解决初期支护强度不足的问题。

(2) 在VZ-B型支护中，在滞后掌子面5 m距离对隧洞进行支护处理时，加固后整个支护体系的承载力小于所需要的隧洞围岩支护抗力0.85 MPa，围岩处于失稳状态，不满足围岩-支护体系的安全稳定性控制标准。

(3) 在隧洞初期支护时通过调整支护结构的施作时机可使得各支护方式发挥更好的结构力学性能，增加体系的结构承载能力。