水工隧洞变形特征及支护效果分析

刘泽毅

(新疆水利发展投资(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着我国经济的快速发展，全国各地的隧道工程取得了长足的进步。大量的山区隧道由于复杂的工程地质条件导致隧道大变形和工程事故频繁发生。为系统研究隧道的变形机理和支护技术，大量学者开展了相关研究。杜广印等基于模型实验研究了黄土十字交叉隧道开挖支护结构变形特性。结果表明，支护结构在监测断面前后各0.5D范围内变形越占总变形的70%。此外，交叉段的稳定是保证隧道稳定的关键。李文江综合采用现场实测和数值模拟研究了软弱围岩隧道变形特征。结果表明，软弱围岩隧道产生较大变形的根本原因是围岩软弱和地应力值相对较大，基于现场实测数据提出了开挖、支护技术等软弱围岩隧道变形控制技术体系。朱汉华基于围岩能量守恒方法推导了隧道围岩与支护结构变形协调机制，提出了一种吸能让压-支承抗压的新型隧道围岩支护工艺。周成嵩等基于现场监测研究了深埋隧道软岩大变形与支护结构受力分析。结果表明，采用深孔锚杆、高强喷混凝土及注浆手段可以形成整体支护体系稳定。雷升祥和赵伟基于ABAQUS数值模拟研究了软岩隧道大变形环向让压支护机制。结果表明，采用环向让压支护实现刚-柔-刚的力学特性，具有与高地应力软岩的流变特性相适应的支护特点。

本文基于某山区水工隧洞工程，基于现场实测数据系统研究了隧洞围岩的变形特征和隧洞支护内力与变形规律。为隧洞施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

某引水工程水工隧洞全长3.8km，最大埋深为105m，断面净宽度为10m，净高为12m。隧洞围岩主要为强度较低的千枚岩组成。室内试验表明，岩石单轴抗压强度小于10MPa，围岩等级为Ⅳ级。由于隧洞地处软弱围岩大变形区域。隧洞施工中，掌子面、围岩及支护结构多次发生掉石和局部坍塌的工程问题。隧洞开挖方式为三台阶法，支护方式采用新奥法进行。具体支护方式为：①超前支护采用超前支护注浆导管，长度为4.5m，横向间距为0.5m；②初期支护采用钢拱架和锚杆进行，其中锚杆长度为6m，横向间距和纵向间距分别为0.75和1.0m。混凝土厚度为0.3m；③二衬采用HRB335钢筋网片进行加固，钢筋间距为0.25m，横向和纵向间距分别为0.25和0.2m。

1.2 监测方案

考虑到工程需要，揭示隧洞围岩与支护结构相互作用机理。施工过程中选取典型断面现场监测。监测主要包括拱顶沉降变形，初期支护水平收敛变形、初支拱架内力、二衬混凝土内力等方面。具体监测内容及监测点布置如图1所示。

图1 隧洞断面监测示意图

2 监测结果与分析

2.1 拱顶沉降与水平收敛

首层初支时拱顶沉降及其速率变化特征曲线如图2所示。结果表明，拱顶沉降变形随时间的增大表现出3个典型变形阶段：①下导前拱顶变形快速增大；②下导后拱顶变形平稳；③仰拱闭合后拱顶变形缓慢增大。根据典型断面的拱顶变形规律来看，隧洞开挖后出现明显的应力重分布现象，其中上导洞支护措施位于软弱围岩之上，随着支护结构刚度的增大，拱顶沉降与水平收敛变形较支护前增大速率更快。当下导洞进行支护后，围岩应力重分布有所减弱，拱顶沉降和水平收敛变形增长速率趋于正常。当仰拱封闭后，隧洞与支护结构形成稳定的整体性结构，围岩应力重分布减弱，拱顶沉降增长速率降低。其中断面4围岩质量最差，拱顶沉降变形最大，初支结构受力大，局部受力的混凝土发生开裂。4个典型断面的拱顶沉降变形在时间为60d的时候达到最大的阶段，最大值分别为110、120、140和168mm，平均沉降速率分别为1.8、2.0、2.2和3.3mm/d。

图2 首层初支拱顶沉降及其速率

首层初支水平收敛及速率如图3所示。结果表明，4个典型断面的水平收敛变形及其速率与拱顶沉降变形趋势基本相同。4个典型的初支水平收敛变形的平均值为210mm，水平收敛变形速率在60d的时候分别为3.8、3.5、3.5和2.5mm/d。以上分析可知，对于软岩区隧洞的大变形问题，围岩的蠕变时间会持续很长的时间，本文提出采用“让压为主”的支护理念，对于初期柔性支护，支护结构与围岩形成整体性结构需要较长的时间。对于软岩区隧洞，初期支护应采用刚性较大的支护进行处理。

图3 首层初支水平收敛及其速率

2.2 拱架内力及变形

典型监测断面拱架受力分布(拉正压负)如图4所示。结果表明，两个监测断面拱架受力分布不均匀，其中拱架结构部分收拉，部分受压。总体表现出两侧受压应力，拱顶受压应力的规律。这是因为，隧洞初支采用刚度较小的支护结构，支护与围岩变形协调能力较强。根据两个典型断面拱架内力的分布规律可知，断面2的最大压应力为-380MPa，最大拉应力为289.3MPa；断面3的最大压应力为-120.9MPa，最大拉应力为228.4MPa。总体来看，隧洞断面的围岩变形以垂直于岩层走向为主。

图4 监测断面拱架受力分布(拉正压负)

2.3 围岩与初支及二衬间的接触压力

断面接触压力分布规律如图5所示。结果表明，隧洞围岩与初支的接触压力及初支与二衬之间的接触压力出现了90°的偏转。段面1压力沿岩层走向表现出受压的趋势，初支与二衬之间的接触压力与岩层走向垂直。总体表明，二衬结构的发生的变形以滑移为主时，隧洞拱顶和拱腰处承受较大的围岩压力。当隧洞围岩的变形以溃屈为主时，拱腰和和拱脚处受到的压应力较大。图5(a)结果表明，断面1围岩与初支接触压力均为正(受拉为主)，最大拉应力为1.47MPa；断面1围岩与初支接触压力均为正(受拉为主)，其最大拉应力为1.47MPa；断面1初支与二衬接触压力均为正(受拉为主)，最大拉应力为1.13MPa；断面2围岩与初支接触拉压力最大值为0.85MPa；断面2初支与二衬接触拉压力最大值为0.38MPa。

图5 断面接触压力分布

2.4 二衬混凝土内力分析

典型断面二衬混凝土内力分布规律如图6所示。由图6可知，二衬混凝土的内力分布表现出不均匀的趋势。二衬混凝土部分受压，部分收拉。断面1的最大拉应力和最大压应力分别为6.5和0.9MPa；断面1的最大拉应力和最大压应力分别为1.0和1.3MPa。导致这一现象的主要原因是结构受力不均匀与围岩的偏压。当二衬承受初支的接触压力后，结构内力重分布。由于二衬结构的钢筋抗拉强度高300MPa，混凝土抗压强度可达20MPa，因此，二衬结构具有较强的调整围岩围压应力的作用。

图6 二衬混凝土受内力分布

3 结语

本文依托山区软岩隧洞工程，基于现场监测数据详细的分析了隧洞不同位置处的内力及变形规律，结合隧洞初支和二衬的受力特征，得到如下结论。

(1)隧洞开挖变形可分为支护前的快速增长，平稳增长和仰拱闭合后的缓慢增长3个阶段，围岩质量越差，初支结构受力越大。

(2)隧洞软岩表现出典型的蠕变特征，对于软岩大变形区的隧洞支护结构，宜采用刚度较大的刚性支护方案进行处理。

(3)围岩发生的变形以滑移为主时，隧洞拱顶和拱腰处承受较大的围岩压力。隧洞围岩的变形以溃屈为主时，拱腰和和拱脚处受到的压应力较大。实际工程中，为达到更好的支护效果，软岩隧道宜采用复合支护体系区别处理，。