浅埋引水隧洞支护后变形控制研究

冯小锐

（山西省水利水电工程建设监理有限公司,山西 太原 030000）

1 引言

随着我国地下空间利用率的大幅提高,隧洞的规模和里程越来越长,隧洞形状、地质条件越来越复杂。隧洞在开挖和施工中产生的变形是影响隧洞正常施工和安全运营的关键因素。通常隧洞在开挖后需要进行支护。因此,如何科学地采取支护措施,是隧洞施工的重点内容,也是国内外学者关注的重点内容。

郑军华等[1]综合采用现场试验和数值模拟研究了基坑开挖引起盾构隧洞位移的控制方法。结果表明,上方基坑开挖对下方盾构隧洞的影响显著。综合采用地基加固、抽条开挖、门式框架、及时反压等工程措施可以显著降低隧道位移。吴登超[2]等基于FLAC3D 数值模拟研究了隧洞有无支护应力与位移演化特征。结果表明,隧洞开挖后,布置支护比不布置支护可以显著减小隧洞围岩的变形,且布置支护后围岩稳定性大幅改善。孙水泉[3]采用物理模型试验和数值模拟系统的研究了铁路隧道施工初期支护参数优化模型,提出了隧道支护合理选取方式,可为相似工程提供经验借鉴。

本文依托某引水隧洞工程实例,基于数值模拟和现场监测研究该隧洞初期支护后位移控制基准。

2 浅埋隧洞变形的力学特性

研究区隧洞为浅埋隧洞,因此本文仅分析浅埋隧洞的力学特性。通常由于浅埋隧洞的开挖较浅,因此更容易受到开挖扰动,与深埋隧洞相比,更难形成稳定的拱圈。此外,由于浅埋隧洞岩体强度低,完整性差。因此增大了施工风险和施工难度。为了保证隧洞施工的安全性和正常运行。隧洞开挖后通常需要进行支护,规范建议隧洞初期支护采用锚喷支护,并且在开挖和施加支护的过程中进行现场监测以保证施工的安全性。通常根据对于给定的位移标准值安全阈值,可对施工过程中隧洞的变形进行指导。

隧洞开挖后,其变形具有一定的时效性,变形稳定的时间与支护方式、开挖方式及支护时间有关。一般可通过反演法进行参数确定。隧洞开挖前围岩的原始应力主要是重力引起的：

式中：σ为总应力,Pa；σs为竖向应力,Pa；σh为水平应力,Pa。

隧洞开挖导致应力重分布,进一步导致围岩发生变形以及支护结构变形。其中隧洞开挖释放的荷载主要取决于初始应力和释放因子的大小。

3 工程概况与数值模拟

3.1 工程概况

项目为某引水隧洞支线工程,围岩裂隙发育完整性差,围岩等级为V 级。地下水的存在形式主要为基岩裂隙水。隧洞主要穿过的地层为粉质黏土和全-强风化凝灰岩。其中粉质黏土为可塑状态,最大厚度为3 m。全-强风化凝灰岩岩石强度低。隧洞支护统一采用复合衬砌。

3.2 数值模型和力学参数

基于MIDAS/GTS 进行建模计算与分析,建立模型见图1。模型网格共计12200 个,节点个数为23900 个。模型计算所需要的隧洞围岩和衬砌结构的物理力学参数见表1 和表2。其中对于初期支护而言,计算中假定采用等效刚度原则,将刚度折算到混凝土中统一设置。

表1 围岩物理力学参数

表2 衬砌材料力学参数

3.3 计算工况

本隧洞由于断面较小,在实际施工中开挖进尺为1 m,钢拱架间距为1 m。数值模拟的施工步骤与实际情况相同：第一步为土方洞挖；第二步为钢拱架及锚杆支护；第三步为喷射混凝土支护。

为详细分析开挖过程中隧洞初期支护结构的变形规律,本文选取了4 个监测断面,其中1#断面位于隧洞入口,埋深0.5 倍隧洞直径；2#断面埋深与隧洞直径相同；3#断面埋深为1.5 倍隧洞直径；4#断面为1.5 倍隧洞直径。

3.4 计算结果与分析

图3 和图4 汇总得到数值模拟计算隧洞开挖初期支护的拱顶变形曲线和周边变形曲线。结果表明,4 个监测断面具有相同的变化规律。其中拱顶位移曲线和周边变形曲线均随掌子面距离的增大而先增大后逐渐趋于平稳。在0~1 倍隧洞直径时,变形比较快,在1~2倍隧洞直径时,变形速率有所降低,4倍隧道直径时,变形基本保持不变,因此实际工程中可将该变形值作为初期支护结构的最终位移。

为了验证数值模拟的可靠性,本文选取相同监测断面的现场监测数据与数值计算结果进行对比分析。结果汇总于图4 和图5 中。

图4 和图5 结果表明,现场监测值和计算值变形趋势完全一致,两者的相对误差在20%以内,证明数值模拟的合理性,但数值模拟与现场监测结果有一定的差别,主要是由于数值计算中不考虑构造应力。同时实际的隧洞变形受到的影响因素较多,而数值模拟无法考虑所有影响因素。但总体来看,数值模拟和现场监测结果体现出支护结构变形的空间效应。

4 位移控制基准值分析

汇总得到数值模拟计算变形和现场监测变形进行对比分析,并汇总计算得到不同埋深断面的变形占总变形的比值见表3。由表3 可知,当距掌子面距离相同时,初期支护位移所占的比例各不相同,对于同一断面而言,随开挖距离的增大,位移逐渐增大,当埋深不变时,随开挖面距离的增大,变形占比也逐渐增大,这在数值模拟和监测数据中表现出相同的趋势。实际工程中隧洞开挖变形基准值要同时考虑埋深和开挖间距。

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5 结论

本文依托某浅埋引水隧洞工程,基于现场实测数据和数值模拟研究了初期支护结构的变形规律,得到如下几点结论：

（1）拱顶位移曲线和周边变形曲线均随掌子面距离的增大而先增大后逐渐趋于平稳。在0~1 倍隧洞直径时,变形比较快,在1~2 倍隧道直径时,变形速率有所降低,大于4 倍隧洞直径时,变形基本保持不变,因此实际工程中可将4 倍隧洞直径对应的变形作为初期支护结构的最终位移。

（2）对于同一断面而言,随开挖距离的增大,位移逐渐增大；当埋深不变时,随开挖面距离的增大,变形占比也逐渐增大。实际工程中隧洞开挖变形基准值要同时考虑埋深和开挖间距进行确定。