王文學(xué)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610225)

1 概述

對(duì)于大埋深下的排水隧洞往往其所處地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位較高且地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)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(hù)襯砌設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jìn)度通常是制約整個(gè)隧洞工程工期的關(guān)鍵，而針對(duì)Ⅴ類圍巖采用相應(yīng)合理的開(kāi)挖、支護(hù)手段又是其核心問(wèn)題［1］。一次支護(hù)限制圍巖變形作用顯著，對(duì)圍巖安全穩(wěn)定起到重要作用，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到排水隧洞的質(zhì)量和壽命［2］。

在采用新奧法［3］施工時(shí)，隧洞的初期支護(hù)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(hù)僅為臨時(shí)設(shè)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(hù)連成一個(gè)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(hù)初期就具有抗力，且隨著圍巖變形，支護(hù)阻力不斷增加。若將一次支護(hù)與襯砌視為整體進(jìn)行分析，忽視施工過(guò)程的時(shí)間效應(yīng)，顯然不能符合新奧法施工的要求。因此，采用面向支護(hù)過(guò)程的仿真分析更能合理地分析支護(hù)的安全性。同時(shí)，由于排水隧洞所在地層的構(gòu)造應(yīng)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(hù)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布，為此，筆者擬結(jié)合實(shí)際工程情況，考慮圍巖初始構(gòu)造應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而為合理安排支護(hù)時(shí)機(jī)及優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 排水隧洞開(kāi)挖一次支護(hù)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(qiáng)風(fēng)化巖為主，風(fēng)化程度較嚴(yán)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(kāi)挖后，應(yīng)力釋放加劇，變形發(fā)展迅速，圍巖抗壓和抗剪強(qiáng)度低，無(wú)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(duì)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(hù)作為一次支護(hù)的形式。

分析圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布是一次支護(hù)設(shè)計(jì)的前提，而分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性必須要了解支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的荷載。對(duì)隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)起主要作用的荷載是作用在結(jié)構(gòu)表面的開(kāi)挖巖體的徑向壓力，即常說(shuō)的圍巖壓力或稱接觸壓力。顯然，隧洞穩(wěn)定性分析、壓力計(jì)算、支護(hù)設(shè)計(jì)類型和參數(shù)選定等均與圍巖壓力有關(guān)，因此，如何準(zhǔn)確確定隧洞圍巖壓力及其分布模式是隧洞穩(wěn)定性計(jì)算的重要問(wèn)題。筆者采用 Drucker-Prager［5］材料模型模擬巖石類材料的彈塑性，運(yùn)用三維有限元數(shù)值解法并引進(jìn)ANSYS軟件中單元生死功能，模擬在巖層中隧洞開(kāi)挖的過(guò)程，以反映隧洞開(kāi)挖前后圍巖的變化，進(jìn)而研究隧洞一次支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的圍巖壓力及其分布模式。排水隧洞開(kāi)挖一次支護(hù)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(kāi)挖及支護(hù)的ANSYS三維有限元模型。

(2)施加第一個(gè)荷載步，求解初始地應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于重力和水平構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)，施加重力荷載和水平構(gòu)造應(yīng)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(kāi)挖前圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)σ0。

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

(4)激活支護(hù)單元。利用ANSYS中提供的“生死單元”功能模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)，在相應(yīng)的載荷步，重新“激活”襯砌或支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的應(yīng)力增量△σ和位移增量△ δ。

(5)開(kāi)挖后的支護(hù)應(yīng)力σ及圍巖位移δ分析。

得到實(shí)際的支護(hù)變形狀態(tài)是從當(dāng)前載荷步求解所得到的位移，減去產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng)的第一個(gè)載荷步的位移，所得到的應(yīng)力狀態(tài)就是當(dāng)前載荷步的應(yīng)力狀態(tài)。

3 工程實(shí)例及計(jì)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(shí)測(cè)應(yīng)力資料顯示該工程區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力分布特征為:水平最大主應(yīng)力大于水平最小主應(yīng)力、大于垂直向應(yīng)力(SH＞Sh＞Sv)，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)存在明顯的水平構(gòu)造作用。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，選取V類圍巖下的最危險(xiǎn)斷面作為一次支護(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)測(cè)資料，賦予有限元模型材料屬性，施加適當(dāng)?shù)募s束;采用Solid45單元模擬圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，Link8單元模擬錨桿，模型單元總數(shù)為3552個(gè)。

圖1 圍巖及一次支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型示意圖

3.1 計(jì)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(yīng)力等因素，確定Ⅴ類圍巖下典型計(jì)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(chǎng)實(shí)測(cè)資料確定，見(jiàn)表2。使用等效彈模法將一次支護(hù)的掛網(wǎng)噴混凝土簡(jiǎn)化為等效混凝土，即其彈模為掛網(wǎng)與噴混凝土加權(quán)平均求得的等效彈模。噴混凝土強(qiáng)度為C25，錨桿鋼筋為II級(jí)鋼。

表2 排水隧洞Ⅴ類圍巖計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)表

此外，針對(duì)本工程Ⅴ類圍巖風(fēng)化程度高、整體性差，同時(shí)受滲水影響危險(xiǎn)性較高的特點(diǎn)，在一次支護(hù)中采用鋼筋格柵作為加強(qiáng)支護(hù)。建模時(shí)，考慮到鋼筋格柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為促進(jìn)有限元計(jì)算收斂并提高計(jì)算速度，將鋼筋格柵簡(jiǎn)化為等效混凝土，其彈模為鋼支撐與混凝土加權(quán)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(jì)算結(jié)果分析該等效混凝土是否達(dá)到極限強(qiáng)度，若達(dá)到極限強(qiáng)度，則還需對(duì)鋼筋格柵進(jìn)行配筋校核。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 Ⅴ類圍巖一次支護(hù)后的應(yīng)力場(chǎng)分布

Ⅴ類圍巖排水洞周圍應(yīng)力場(chǎng)分布情況(包括最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力)如圖2所示。其最大主應(yīng)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(yīng)力為－1.02MPa，出現(xiàn)在排水洞拱頂和底部，均為壓應(yīng)力。

4.2 一次支護(hù)混凝土層受力分析

圖2 Ⅴ類圍巖最大、最小主應(yīng)力場(chǎng)分布示意圖(單位:Pa)

由于V類圍巖的分布多靠近隧洞進(jìn)出口處，故其風(fēng)化程度高，巖石松散破碎。由于在不同構(gòu)造應(yīng)力下一次支護(hù)受力情況不同，筆者在文中分析了圍巖與支護(hù)在不同構(gòu)造應(yīng)力下的應(yīng)力場(chǎng)分布，以獲得支護(hù)和襯砌的受力情況。根據(jù)工程實(shí)際情況，V類圍巖的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為0～1.2 MPa。筆者在文中將一次支護(hù)承擔(dān)的構(gòu)造應(yīng)力分為 0，0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa 五個(gè)等級(jí)，分別計(jì)算各等級(jí)下一次支護(hù)的應(yīng)力場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，其趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

表3 Ⅴ類圍巖下一次支護(hù)承擔(dān)不同構(gòu)造應(yīng)力時(shí)主應(yīng)力情況表 /MPa

由于C25混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為12.5 MPa，從圖3中可以得到在不同構(gòu)造應(yīng)力下一次支護(hù)混凝土被壓碎破壞前所能承擔(dān)的最大圍巖壓力:當(dāng)V類圍巖無(wú)構(gòu)造應(yīng)力、圍巖構(gòu)造應(yīng)力分別取0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa 及 1.2MPa 時(shí)，一次支護(hù)混凝土對(duì)應(yīng)能承擔(dān)45%、48%、55%、66%及48%的圍巖壓力。上述情況下，混凝土開(kāi)裂，導(dǎo)致鋼筋格柵中的鋼筋受力，故需進(jìn)一步分析鋼筋格柵中鋼筋是否達(dá)到極限強(qiáng)度，若其未達(dá)到極限強(qiáng)度，鋼筋格柵尚能自穩(wěn)。

圖3 Ⅴ類圍巖下一次支護(hù)承擔(dān)不同構(gòu)造應(yīng)力時(shí)壓應(yīng)力趨勢(shì)圖

4.3 鋼筋格柵穩(wěn)定分析與強(qiáng)度校核

Ⅴ類圍巖一次支護(hù)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(jí)鋼筋，極限抗壓強(qiáng)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(gè)等腰三角形，拱圈尺寸與開(kāi)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(diǎn)板處設(shè)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(yù)先按設(shè)計(jì)支護(hù)斷面加工成型，洞內(nèi)人工拼裝。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知，圍巖與一次支護(hù)在拱頂和底部出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)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(dān)的圍巖壓力不斷增大，混凝土和鋼筋的應(yīng)力也不斷增大。由于混凝土極限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼筋的極限抗壓強(qiáng)度，混凝土將首先被壓碎破壞而失去承載能力，此時(shí)，可以認(rèn)為所有的荷載將全部由鋼筋格柵拱架主筋承擔(dān)。因此，需要在混凝土發(fā)生破壞時(shí)對(duì)鋼筋進(jìn)行強(qiáng)度校核。

由圖3可知，圍巖無(wú)構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，一次支護(hù)受力最不利。當(dāng)支護(hù)承擔(dān)45%圍巖壓力時(shí)，襯砌的壓應(yīng)力為12.5MPa，在達(dá)到混凝土極限抗壓強(qiáng)度時(shí)將被壓碎(但此時(shí)鋼筋尚未破壞)。進(jìn)而，對(duì)鋼筋格柵的受力鋼筋進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，判斷其軸向應(yīng)力是否超過(guò)其極限抗壓強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)一次支護(hù)承擔(dān)60%圍巖壓力時(shí)，內(nèi)側(cè)φ28鋼筋所承受的壓應(yīng)力為305MPa，外側(cè)φ22鋼筋所受壓應(yīng)力為310MPa，達(dá)到極限受壓強(qiáng)度;當(dāng)一次支護(hù)承擔(dān)65%圍巖壓力時(shí)，φ28鋼筋所受壓應(yīng)力為320 MPa，φ22鋼筋所受壓應(yīng)力為325MPa，超過(guò)極限受壓強(qiáng)度，鋼筋將受壓破壞，造成鋼筋格柵支護(hù)失穩(wěn)。故鋼筋格柵支護(hù)最大可承擔(dān)60%的圍巖變形壓力，剩余的圍巖壓力將由一次支護(hù)和襯砌共同承擔(dān)。因此，二次支護(hù)越早，襯砌承擔(dān)的圍巖應(yīng)力越大，對(duì)襯砌的抗破壞能力要求越高，將導(dǎo)致成本增加;二次支護(hù)越晚，圍巖變形越大，一次支護(hù)承擔(dān)圍巖壓力越大，易破壞失穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

在不良地質(zhì)條件下排水隧洞開(kāi)挖一次支護(hù)的穩(wěn)定對(duì)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(yīng)場(chǎng)作用下，采用三維有限元方法及單元生死法模擬隧洞開(kāi)挖及一次支護(hù)過(guò)程，對(duì)典型斷面下隧洞開(kāi)挖及一次支護(hù)進(jìn)行了有限元仿真分析，得到以下結(jié)論:

(1)在V類圍巖無(wú)水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)為最不利情況，一次支護(hù)噴混凝土層僅能承擔(dān)45%的圍巖壓力。

(2)當(dāng)一次支護(hù)承擔(dān)60%以上的圍巖變形壓力時(shí)，噴混凝土層被破壞，且鋼筋格柵中的鋼筋超過(guò)極限受壓強(qiáng)度，鋼筋將受壓破壞，鋼筋格柵失穩(wěn)。

因此，在施工過(guò)程中須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的變形，合理選擇二次支護(hù)時(shí)機(jī)，以保證一次支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)充分發(fā)揮襯砌的作用，進(jìn)而保證排水洞施工期和運(yùn)行期的安全。

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