李文富

(遼寧省水利廳，沈陽 110003)

1 工程概況

遼寧省大伙房水庫輸水工程是遼寧省“十一五”期間的重點(diǎn)工程，其主體建筑物為85.32km長的輸水隧洞，隧洞底坡為1/2380，設(shè)計(jì)引水流量70m3/s，開挖直徑8.0m，埋深大多在100～600m之間。隧洞施工采用以掘進(jìn)機(jī)為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合作業(yè)方法。輸水隧洞出口段傍山臨河，隧洞軸線與河流走向小角度相交。出口段位于陡峭雄厚山體的臨河側(cè)，右側(cè)山體陡峻，左側(cè)山體覆蓋層薄，整個(gè)洞體均處在卸荷帶內(nèi)，節(jié)理裂隙呈網(wǎng)狀發(fā)育，巖層穩(wěn)定性、自承能力都比較差。坡面一側(cè)被濃密的植被所覆蓋，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，且有部分的堆積體，開挖后洞壁巖體厚度不足4m。洞口拱頂埋深較淺，埋深厚度為3～9m，巖體軟弱破碎，自穩(wěn)性差，開挖易塌方。出口洞段屬于典型的淺埋、偏壓隧洞，如圖1所示。

圖1 淺埋偏壓隧洞

隧洞出口段穿越的地層巖性為中生代白堊系小嶺組凝灰質(zhì)砂巖。巖石強(qiáng)度不高，一般為30～50MPa。不規(guī)則的網(wǎng)狀隱性節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化且風(fēng)化速度快。從洞口部位已揭露的巖石來看，巖層向下傾斜，巖體較破碎，節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)面有綠泥石化夾層。圍巖類別為Ⅳ類。出口段洞外是全斷面掘進(jìn)機(jī)TBM組裝場地，洞內(nèi)400m是TBM步進(jìn)和始發(fā)洞。因此，出口段是整個(gè)隧洞的咽喉部位，若處理不當(dāng)，易發(fā)生塌方、冒頂、邊仰坡塌滑風(fēng)險(xiǎn)事件。如何克服洞口段的淺埋、偏壓，實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)洞，關(guān)系到工程的成敗。

2 隧洞施工的有限元仿真分析

為保證隧洞安全，須從理論上分析隧洞在淺埋、偏壓作用下圍巖受力情況和變形規(guī)律。下面采用有限元法對輸水工程洞口淺埋偏壓段進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)模擬，并以此計(jì)算結(jié)果作為參考，選取合理的開挖和支護(hù)參數(shù)。

2.1 基本假設(shè)

對有限元分析模型做如下假設(shè)［1］［2］:?由于隧洞軸線較長，因此將隧洞圍巖受力與變形視為平面應(yīng)變問題進(jìn)行研究;?錨桿、鋼拱架及隧洞襯砌材料為彈性介質(zhì)，隧洞圍巖為彈塑性介質(zhì);?假設(shè)圍巖是均質(zhì)各向同性的連續(xù)體，并呈理想彈～塑性性質(zhì)。圍巖的屈服遵從DP屈服準(zhǔn)則。假定計(jì)算選取的圍巖材料為均勻連續(xù)的DP材料，且各向同性，相應(yīng)的等效應(yīng)力和屈服應(yīng)力均與DP材料相對應(yīng)。有限元計(jì)算時(shí)選取的材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 選 用 材料 的 力 學(xué)參 數(shù)

2.2 施工動(dòng)態(tài)模擬及有限元模型

隧洞出口斷面為直墻半圓拱(城門洞)形，寬9m，高9m。為確保安全進(jìn)洞并成洞穩(wěn)定，采取了臺(tái)階式分部開挖方式及短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的技術(shù)措施。

整個(gè)隧洞斷面分部開挖分四個(gè)開挖步進(jìn)行，見圖2。第1步:開挖上臺(tái)階的右側(cè)(面對掌子面，下同)巖體，并對其進(jìn)行錨網(wǎng)噴加鋼拱架支護(hù);第2步:開挖上臺(tái)階的左側(cè)巖體，并對其進(jìn)行錨網(wǎng)噴加鋼拱架支護(hù)，支護(hù)與右側(cè)連接;第3步:開挖下臺(tái)階右側(cè)巖體并支護(hù);第4步:開挖下臺(tái)階左側(cè)巖體并支護(hù)，四段鋼拱架連接成一體。每循環(huán)進(jìn)尺1.0m。

圖2 開挖步順序

按照上述開挖步建立有限元模型，共計(jì)4個(gè)開挖步。計(jì)算區(qū)域選取10m長洞室范圍內(nèi)的巖體作為研究對象，上邊界取至地表，左右側(cè)邊界為5倍洞徑，下側(cè)邊界為1倍洞徑。已知邊界條件均為位移約束，其中上部為自由邊界，左右側(cè)為水平位移約束邊界，下側(cè)為豎直位移約束邊界。坐標(biāo)軸方向:Z軸與洞軸線方向一致，Y軸為豎向坐標(biāo)軸，按右手法則定義。三維有限元模型見圖3，網(wǎng)格離散圖見圖4，共劃分為41449個(gè)單元，9844個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 三維有限元模型

圖4 有限元網(wǎng)格離散圖

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

表2列出了各開挖步有限元計(jì)算的隧洞頂拱點(diǎn)最大下沉位移值及最大主應(yīng)力值。從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，第1開挖步和第2開挖步分別完成后，對隧洞變形的影響較大，即隨著隧洞上部的開挖出現(xiàn)凈空后，頂拱部位下沉較明顯，且增幅較大。第3開挖步和第4開挖步施工時(shí)，雖然上部已經(jīng)形成凈空，但由于先期進(jìn)行了錨網(wǎng)噴加拱架支護(hù)，所以開挖時(shí)頂拱下沉雖有所增大，但增幅卻很小，表明隧洞開挖后的及時(shí)初期支護(hù)對隧洞變形起到很大的保護(hù)作用。另外，由于埋深較淺，頂拱處最大主應(yīng)力值較小，只有0.154MPa，隨著開挖步的進(jìn)行，最大主應(yīng)力值也隨之增大。由于受偏壓影響，在第4開挖步時(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)了大幅度增長，經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在右側(cè)底腳處出現(xiàn)了較明顯的壓應(yīng)

力集中現(xiàn)象，因此，需對底腳處加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)及時(shí)封閉仰拱。

表2 隧洞頂拱豎向位移及最大主應(yīng)力

3 施工對策

對于淺埋偏壓洞段，要確保施工安全與施工質(zhì)量，洞身開挖支護(hù)方法和施工工序的選擇就顯得尤為關(guān)鍵，施工時(shí)需詳細(xì)研究，制定可行方案。根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，制定該工程出口段偏壓隧洞相應(yīng)的施工對策。

a.采用“先護(hù)坡、后進(jìn)洞”的程序，確保洞口邊坡穩(wěn)定、安全。洞外山體加固處理的目的，一是防止洞外山體及洞臉巖體失穩(wěn)，二是為隧洞開挖創(chuàng)造條件，防止坍塌冒頂，確保順利成洞。在洞臉開挖時(shí)，在開挖線外設(shè)截水溝，以排除山坡雨水并防止山上墜物傷人。

山體加固采用“錨、網(wǎng)、噴”結(jié)合封閉處理，具體措施如下:?采用直徑42mm、長6000～15000mm、間距1200mm、與地面夾角在30°～60°之間不等的小導(dǎo)管注漿加固;?采用直徑25mm、長3000mm、間距1000mm的錨桿進(jìn)行錨固;?鋪設(shè)φ6.5@200mm×200mm的鋼筋網(wǎng);?噴100mm厚C20混凝土。

b.采用提前進(jìn)洞方案，盡量減小對原山體的破壞，確保進(jìn)洞安全［3］。開挖前，在洞門外沿洞軸方向架立3榀Ⅰ160a鋼拱架，并沿洞口開挖輪廓線做超前支護(hù)，與鋼拱架焊接成整體，探出4m，與洞體連接。提前進(jìn)洞方案，有效地?cái)r截了仰坡危石的滑落，改善了第一茬炮后圍巖的應(yīng)力條件，達(dá)到了安全進(jìn)洞的目的。

c.采用短進(jìn)尺、弱爆破的臺(tái)階法、分部開挖方式，盡量保護(hù)圍巖不受大的擾動(dòng)，并及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測。在隧洞鉆爆施工前，首先要進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。根據(jù)采用的施工方法，對鉆孔深度(循環(huán)進(jìn)尺)、掏槽方式、炮孔布置、光爆參數(shù)、裝藥量、起爆網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并在施工時(shí)根據(jù)爆破試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

d.加強(qiáng)初期支護(hù)，及時(shí)進(jìn)行二次襯砌。為防止變形失穩(wěn)，初期支護(hù)除采用錨、噴、網(wǎng)之外，還需采用鋼拱架以承受偏壓，必要時(shí)及時(shí)封閉仰拱。初期支護(hù)措施包括:?先將開挖洞壁噴一層C25混凝土，厚度30～50mm;?在開挖輪廓線拱部120°范圍內(nèi)縱向布設(shè)φ32、L=3.5m超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.5m;?沿洞軸線1m間距安裝Ⅰ160a鋼拱架，打鎖腳錨桿鎖定在洞壁上，鋼架分段處通過鋼板和M20螺栓連接;?布設(shè)φ22、L=3m系統(tǒng)錨桿，間距1m;?在拱頂掛 φ8@150mm×150mm鋼筋網(wǎng);?再次噴射混凝土，使噴層厚度達(dá)到150mm。

4 結(jié)語

隧洞洞口施工是隧洞工程的難點(diǎn)，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜的地段，成洞尤其困難。而實(shí)際工程中往往由于隧洞選線的需要，洞口段難免會(huì)存在淺埋、偏壓等復(fù)雜問題。處于淺埋、偏壓的洞口段，既要保持仰坡、邊坡的穩(wěn)定，更要承受淺埋、偏壓荷載的作用。施工中要經(jīng)過分析，合理選擇開挖和支護(hù)方案，確保隧洞施工安全和長期運(yùn)行安全。通過研究，得出以下結(jié)論:

a.通過有限元仿真分析及施工后現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，偏壓隧洞施工過程中圍巖變形受開挖步的影響較大。臺(tái)階法上半部開挖時(shí)，頂拱下沉量較大;臺(tái)階法下半部開挖時(shí)，底腳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，采取分部開挖、及時(shí)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)等措施是偏壓隧洞施工的關(guān)鍵。

b.根據(jù)該工程傍山臨河、淺埋、偏壓的地形地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合有限元法分析結(jié)果，采取了洞外護(hù)坡、加固山體，洞內(nèi)短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的洞內(nèi)外結(jié)合的施工技術(shù)，順利通過了淺埋、偏壓洞段，為TBM組裝和步進(jìn)創(chuàng)造了條件。

c.采用有限元法對偏壓隧洞分部施工全過程進(jìn)行仿真模擬［3］，可以預(yù)先掌握隧洞開挖過程中圍巖的變位規(guī)律和應(yīng)力分布狀況，以便于為施工方法和施工參數(shù)的選擇提供參考，做到安全可控、心中有數(shù)。

d.淺埋、偏壓隧洞施工，首先要充分了解工程地質(zhì)，根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)變化規(guī)律和自承能力的特點(diǎn)，采取超前加固措施，提高巖體本身結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)而控制其變形，對初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，遵循“早進(jìn)洞，晚出洞”的隧洞設(shè)計(jì)原則［4］，盡可能減少對山體的破壞和擾動(dòng);其次，對開挖和支護(hù)方案的選擇尤為重要，采取“寧強(qiáng)勿弱”的原則，一定要做到“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”，并且加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)分析圍巖及初期支護(hù)的變形情況，合理指導(dǎo)施工。若初期支護(hù)變形不穩(wěn)定，需要及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工，確保洞室安全。

1 蔡曉鴻，蔡勇平．水工壓力隧洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算［M］.北京:中國水利水電出版社，2004．

2 金豐年，錢七虎．隧道開挖的三維有限元計(jì)算［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996(9):193-200．

3 王祥秋，楊林德，高文華．高速公路偏壓隧道施工動(dòng)態(tài)監(jiān)測與有限元仿真模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(1):284-289．

4 SL 279—2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．