不良地质条件下排水隧洞开挖一次支护稳定分析

王文学

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610225)

1 概述

对于大埋深下的排水隧洞往往其所处地质条件复杂，地下水位较高且地质构造应力明显，尤其是部分位置的岩体质量较差(如Ⅴ类围岩)，从而给隧洞支护衬砌设计带来较大困难。在隧洞施工中，不良地质条件下(Ⅴ类围岩段)的施工进度通常是制约整个隧洞工程工期的关键，而针对Ⅴ类围岩采用相应合理的开挖、支护手段又是其核心问题［1］。一次支护限制围岩变形作用显著，对围岩安全稳定起到重要作用，其稳定性直接关系到排水隧洞的质量和寿命［2］。

在采用新奥法［3］施工时，隧洞的初期支护是永久衬砌的一部分，它摒弃了传统矿山法施工中初期支护仅为临时设施的做法，主张采用锚杆、挂网、喷射混凝土、钢筋栅等手段将围岩与喷锚支护连成一个整体共同受力，利用围岩的自承载力将载荷体变成承载体，从而使支护初期就具有抗力，且随着围岩变形，支护阻力不断增加。若将一次支护与衬砌视为整体进行分析，忽视施工过程的时间效应，显然不能符合新奥法施工的要求。因此，采用面向支护过程的仿真分析更能合理地分析支护的安全性。同时，由于排水隧洞所在地层的构造应力较大，采用二维有限元方法难以反映沿洞轴线方向上围岩和支护的应力场和位移场分布，为此，笔者拟结合实际工程情况，考虑围岩初始构造应力，利用三维非线性有限元方法［4］分析不良地质条件下一次支护结构的稳定性，进而为合理安排支护时机及优化支护设计提供依据。

2 排水隧洞开挖一次支护稳定性分析方法

在不良地质条件下，尤其是Ⅴ类围岩主要以强风化岩为主，风化程度较严重，整体呈土状、散体状且位于地下水位以下，排水洞洞身以渗水为主，局部滴水。Ⅴ类围岩中排水洞开挖后，应力释放加剧，变形发展迅速，围岩抗压和抗剪强度低，无法自稳，必须立即采取有效措施防止有害变形的发展，或减缓变形发展速率，以保证安全施工，对于这种情况，常选择钢格栅、锚杆、钢筋网喷射混凝土联合支护作为一次支护的形式。

分析围岩应力场分布是一次支护设计的前提，而分析支护结构的稳定性必须要了解支护结构所受的荷载。对隧洞支护结构起主要作用的荷载是作用在结构表面的开挖岩体的径向压力，即常说的围岩压力或称接触压力。显然，隧洞稳定性分析、压力计算、支护设计类型和参数选定等均与围岩压力有关，因此，如何准确确定隧洞围岩压力及其分布模式是隧洞稳定性计算的重要问题。笔者采用 Drucker-Prager［5］材料模型模拟岩石类材料的弹塑性，运用三维有限元数值解法并引进ANSYS软件中单元生死功能，模拟在岩层中隧洞开挖的过程，以反映隧洞开挖前后围岩的变化，进而研究隧洞一次支护结构受到的围岩压力及其分布模式。排水隧洞开挖一次支护稳定分析的具体步骤如下:

(1)建立不良地质条件下典型断面围岩与隧洞开挖及支护的ANSYS三维有限元模型。

(2)施加第一个荷载步，求解初始地应力场。对于重力和水平构造应力产生的初始应力场，施加重力荷载和水平构造应力并考虑岩土的非线性(小变形或有限变形)作非线性静力分析，得到开挖前围岩初始应力场σ0。

(3)施加第二个载荷步，即围岩开挖。不退出ANSYS求解器，将隧洞开挖部分的单元变成“死单元”，保留产生初始应力的荷载步，若需要按一定比例施加初始应力产生的释放荷载，则在洞室周边结点施加一个与释放荷载相应的结点荷载，然后作非线性求解，得到作用在开挖边界节点上的荷载增量△σ及相应位移增量△δ。

(4)激活支护单元。利用ANSYS中提供的“生死单元”功能模拟支护结构，在相应的载荷步，重新“激活”衬砌或支护部分的单元并改变单元材料特性，作以后载荷步的非线性静力分析，从而得到支护结构和围岩的应力增量△σ和位移增量△ δ。

(5)开挖后的支护应力σ及围岩位移δ分析。

得到实际的支护变形状态是从当前载荷步求解所得到的位移，减去产生初始应力场的第一个载荷步的位移，所得到的应力状态就是当前载荷步的应力状态。

3 工程实例及计算模型

某排水隧洞断面形式为圆形，衬砌后隧洞内径为5.6m，实测应力资料显示该工程区域内的地应力分布特征为:水平最大主应力大于水平最小主应力、大于垂直向应力(SH＞Sh＞Sv)，说明区域内存在明显的水平构造作用。根据工程设计资料，选取V类围岩下的最危险断面作为一次支护结构稳定分析的典型断面区域，建立典型区域的三维有限元模型(图1)。依据实测资料，赋予有限元模型材料属性，施加适当的约束;采用Solid45单元模拟围岩和支护结构，Link8单元模拟锚杆，模型单元总数为3552个。

图1 围岩及一次支护结构的三维有限元模型示意图

3.1 计算断面的选择及工况

综合考虑地下水位、隧洞埋深和水平向最小主应力等因素，确定Ⅴ类围岩下典型计算断面参数及荷载(表1)。

表1 排水隧洞Ⅴ类围岩典型断面参数及荷载表

3.2 模型材料参数

Ⅴ类围岩参数根据现场实测资料确定，见表2。使用等效弹模法将一次支护的挂网喷混凝土简化为等效混凝土，即其弹模为挂网与喷混凝土加权平均求得的等效弹模。喷混凝土强度为C25，锚杆钢筋为II级钢。

表2 排水隧洞Ⅴ类围岩计算采用的物理力学参数表

此外，针对本工程Ⅴ类围岩风化程度高、整体性差，同时受渗水影响危险性较高的特点，在一次支护中采用钢筋格栅作为加强支护。建模时，考虑到钢筋格栅结构复杂，为促进有限元计算收敛并提高计算速度，将钢筋格栅简化为等效混凝土，其弹模为钢支撑与混凝土加权平均求得的等效弹模，而模型尺寸、粘聚力、内摩擦角和泊松比等其他参数均保持不变，从而可由计算结果分析该等效混凝土是否达到极限强度，若达到极限强度，则还需对钢筋格栅进行配筋校核。

4 计算结果分析

4.1 Ⅴ类围岩一次支护后的应力场分布

Ⅴ类围岩排水洞周围应力场分布情况(包括最大主应力和最小主应力)如图2所示。其最大主应力为－0.139MPa，出现在排水洞顶拱和底部的左右两侧，最小主应力为－1.02MPa，出现在排水洞拱顶和底部，均为压应力。

4.2 一次支护混凝土层受力分析

图2 Ⅴ类围岩最大、最小主应力场分布示意图(单位:Pa)

由于V类围岩的分布多靠近隧洞进出口处，故其风化程度高，岩石松散破碎。由于在不同构造应力下一次支护受力情况不同，笔者在文中分析了围岩与支护在不同构造应力下的应力场分布，以获得支护和衬砌的受力情况。根据工程实际情况，V类围岩的区域构造应力为0～1.2 MPa。笔者在文中将一次支护承担的构造应力分为 0，0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa、1.2MPa 五个等级，分别计算各等级下一次支护的应力场分布，计算结果见表3，其趋势见图3。

表3 Ⅴ类围岩下一次支护承担不同构造应力时主应力情况表 /MPa

由于C25混凝土抗压强度设计值为12.5 MPa，从图3中可以得到在不同构造应力下一次支护混凝土被压碎破坏前所能承担的最大围岩压力:当V类围岩无构造应力、围岩构造应力分别取0.3MPa、0.6MPa、0.9MPa 及 1.2MPa 时，一次支护混凝土对应能承担45%、48%、55%、66%及48%的围岩压力。上述情况下，混凝土开裂，导致钢筋格栅中的钢筋受力，故需进一步分析钢筋格栅中钢筋是否达到极限强度，若其未达到极限强度，钢筋格栅尚能自稳。

图3 Ⅴ类围岩下一次支护承担不同构造应力时压应力趋势图

4.3 钢筋格栅稳定分析与强度校核

Ⅴ类围岩一次支护中采用钢筋格栅拱架，拱架主筋由三根钢筋组成，内侧为一根φ28钢筋、外侧为两根φ22钢筋，均为二级钢筋，极限抗压强度为310MPa。主筋与若干箍筋、联系筋焊接成空间圆拱型桁架，其截面为一个等腰三角形，拱圈尺寸与开挖断面相同。箍筋为φ8，每榀格栅之间的间距为0.8m，采用φ20钢筋联系，1m环间距，每榀拱架在顶拱拱脚节点板处设两根锚杆。锚杆呈外八字型，水平向上倾角为15°，外露20 cm，与钢筋格栅拱架主筋焊连。钢筋格栅拱架在洞外预先按设计支护断面加工成型，洞内人工拼装。

根据计算结果分析可知，围岩与一次支护在拱顶和底部出现了较大的压应力，钢筋格栅拱架变形稳定较快且整体受压。随着钢筋格栅所承担的围岩压力不断增大，混凝土和钢筋的应力也不断增大。由于混凝土极限抗压强度远小于钢筋的极限抗压强度，混凝土将首先被压碎破坏而失去承载能力，此时，可以认为所有的荷载将全部由钢筋格栅拱架主筋承担。因此，需要在混凝土发生破坏时对钢筋进行强度校核。

由图3可知，围岩无构造应力时，一次支护受力最不利。当支护承担45%围岩压力时，衬砌的压应力为12.5MPa，在达到混凝土极限抗压强度时将被压碎(但此时钢筋尚未破坏)。进而，对钢筋格栅的受力钢筋进行强度校核计算，判断其轴向应力是否超过其极限抗压强度。经计算，当一次支护承担60%围岩压力时，内侧φ28钢筋所承受的压应力为305MPa，外侧φ22钢筋所受压应力为310MPa，达到极限受压强度;当一次支护承担65%围岩压力时，φ28钢筋所受压应力为320 MPa，φ22钢筋所受压应力为325MPa，超过极限受压强度，钢筋将受压破坏，造成钢筋格栅支护失稳。故钢筋格栅支护最大可承担60%的围岩变形压力，剩余的围岩压力将由一次支护和衬砌共同承担。因此，二次支护越早，衬砌承担的围岩应力越大，对衬砌的抗破坏能力要求越高，将导致成本增加;二次支护越晚，围岩变形越大，一次支护承担围岩压力越大，易破坏失稳。

5 结语

在不良地质条件下排水隧洞开挖一次支护的稳定对控制围岩变形、保证排水洞施工期安全性具有重要意义。笔者在考虑初始地应场作用下，采用三维有限元方法及单元生死法模拟隧洞开挖及一次支护过程，对典型断面下隧洞开挖及一次支护进行了有限元仿真分析，得到以下结论:

(1)在V类围岩无水平构造应力时为最不利情况，一次支护喷混凝土层仅能承担45%的围岩压力。

(2)当一次支护承担60%以上的围岩变形压力时，喷混凝土层被破坏，且钢筋格栅中的钢筋超过极限受压强度，钢筋将受压破坏，钢筋格栅失稳。

因此，在施工过程中须实时监测围岩的变形，合理选择二次支护时机，以保证一次支护结构的稳定，同时充分发挥衬砌的作用，进而保证排水洞施工期和运行期的安全。

［1］刘 彤.浅谈水工隧洞V类围岩的支护［J］.四川水力发电，2006，25(2):73 －75.

［2］刘忠富，任建钦，李海龙.软岩地区隧洞一次支护及变形特性研究［J］.东北水利水电，2004，22(7):20－22.

［3］朱汉华，杨建辉，尚岳全.隧道新奥法原理与发展［J］.隧道建设，2008，28(1):11 －14.

［4］鄢建华，汤 雷.水工地下工程围岩稳定性分析方法现状与发展［J］.岩土力学，2003，24(增):681－686.

［5］周凤玺，李世荣.广义Drucker－Prager强度准则［J］.岩土力学，2008，29(3):747－751.?