于士程，劉洪鋮，盧長偉

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林長春130021）

1 研究背景

現(xiàn)代地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)思想是按照“新奧法”原理，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，采用噴混凝土、錨桿、錨索等柔性結(jié)構(gòu)作為主要支護(hù)方式，通過適時(shí)加固圍巖，控制圍巖變形來充分發(fā)揮圍巖的自承能力[1]。其關(guān)鍵在于確定圍巖最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，即圍巖發(fā)生一定的變形，應(yīng)力自動調(diào)整和重新分布，圍巖自承能力最大限度發(fā)揮的階段。

為此，國內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論推導(dǎo)等多種手段對“最佳支護(hù)時(shí)機(jī)”進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展。例如劉志春等[2]以烏鞘嶺隧道為工程背景，通過對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)相互關(guān)系綜合分析，提出以隧道極限位移為基礎(chǔ)、現(xiàn)場量測日變形量和總位移為依托的工程可操性判別指標(biāo)，對軟巖大變形隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)進(jìn)行探討。張建海[3]等以錦屏電站地下廠房工程為依托，提出最佳支護(hù)時(shí)機(jī)與圍巖收斂時(shí)間、圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比、開挖后應(yīng)力及支護(hù)圍壓相關(guān)性，提出最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的理論公式。

盡管對于“最佳支護(hù)時(shí)機(jī)”的確定，已有較多文獻(xiàn)研究，但是仍然處在理論研究上，無法真正指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，而利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)，通過多種方案的對比分析，找到接近于理論上最小支護(hù)力的支護(hù)時(shí)機(jī)是一個較為適用的途徑。

2 最佳支護(hù)時(shí)機(jī)確定的實(shí)現(xiàn)過程

2.1 掌子面距離的確定

隧洞開挖后，圍巖的變形是一個過程，以圍巖變形指標(biāo)作為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)是數(shù)值模擬中較好把握的一個指標(biāo)，也就是確定圍巖變形多大時(shí)進(jìn)行支護(hù)最為合適。然而在實(shí)際操作上有一定的難度，比較難以實(shí)施，主要原因是必須對圍巖變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，但剛爆破后，圍巖變形又經(jīng)常監(jiān)測不到。相對于此，用掌子面距離指標(biāo)作為支護(hù)時(shí)機(jī)的判斷，在實(shí)際工程中更具有操作性[4]。

隧洞開挖過程中，圍巖的變形與掌子面向前推進(jìn)距離成一定的關(guān)系規(guī)律，當(dāng)掌子面較近時(shí)，圍巖變形相對較小，隨掌子面推進(jìn)，圍巖變形逐漸增大，當(dāng)掌子面大于一定距離時(shí)，圍巖所在斷面不再受掌子面三維效應(yīng)影響，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定值[5-8]。

2.2 預(yù)變形量的確定

以掌子面距離作為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的指標(biāo)，來模擬分析隧洞開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，需要通過龐大的真三維數(shù)值模型，并進(jìn)行多方案對比分析研究支護(hù)時(shí)機(jī)問題，工作量巨大，計(jì)算時(shí)間上也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，提出預(yù)變形量指標(biāo)，利用準(zhǔn)三維數(shù)值模型對其進(jìn)行模擬分析更加現(xiàn)實(shí)。

在準(zhǔn)三維模型中，通過開挖巖體逐步能量釋放過程的等效方法，模擬掌子面開挖距離對圍巖的變形影響。開挖巖體的逐步能量釋放過程有多種控制方法，通過降彈模法逐漸按比例降低開挖巖體的彈模，使巖體能量逐步釋放，以此模擬圍巖自承能力。在該項(xiàng)目中，是通過降低彈模方法控制能量的逐步釋放過程。同時(shí)，模擬圍巖在彈模降低不同比例情況下，對圍巖塑性區(qū)分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，以此確定圍巖最優(yōu)預(yù)變形量。

2.3 最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的確定

施工開挖數(shù)值模擬時(shí)，分別建立真三維模型和準(zhǔn)三維模型。準(zhǔn)三維模型計(jì)算中，通過逐步降低巖體彈性模量，可以得到彈模逐步降低過程中圍巖預(yù)變形量的變化曲線。與真三維地質(zhì)模型中隨著圍巖與掌子面開挖距離變化，圍巖預(yù)變形量的變化曲線進(jìn)行對照，以圍巖預(yù)變形量作為橋梁，可以近似得到圍巖變形過程中彈模降低比例與掌子面進(jìn)尺距離的等效關(guān)系，從而利于準(zhǔn)三維模型分析計(jì)算隧洞開挖后圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況。

3 工程實(shí)例分析

以ABH引水隧洞出口段為實(shí)例來說明確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)過程。該段洞室埋深300m，巖性為泥盆系中統(tǒng)汗吉尕組（D2h）砂巖，圍巖類別為IV類，洞室為圓型，開挖半徑3.50m。圍巖計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)表

3.1 降彈模法圍巖變形規(guī)律

通過準(zhǔn)三維模型降彈模法得到的隧道圍巖變形量與彈模降低比例關(guān)系曲線見圖1。圖1中，橫坐標(biāo)表示開挖巖體彈模與原始彈模的比例系數(shù)，縱坐標(biāo)表示對應(yīng)的圍巖預(yù)變形量。從圖1中看出，隨著比例系數(shù)的降低，圍巖變形逐漸增大，由該曲線可得到與彈模的降低比例對應(yīng)的圍巖預(yù)變形量。

圖1 隧洞開挖圍巖預(yù)變形量與降彈模比例管線曲線圖

3.2 圍巖預(yù)變形量與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力關(guān)系

通過對開挖巖體的彈模降低一定比例，讓圍巖先產(chǎn)生一定的變形，釋放一部分應(yīng)力能量，然后再進(jìn)行支護(hù)，這部分變形稱為預(yù)變形量。一般的規(guī)律是：預(yù)變形量為零時(shí)，支護(hù)荷載就是原始地應(yīng)力，要求支護(hù)強(qiáng)度也最高；當(dāng)預(yù)變形量逐漸增大，所需要支護(hù)荷載就逐漸減小，但圍巖最終變形和塑性區(qū)也會變大；當(dāng)預(yù)變形量過大時(shí)，由于塑性區(qū)變大，支護(hù)過晚，圍巖可能出現(xiàn)破壞（如塌落等），同時(shí)支護(hù)荷載也變大。通過準(zhǔn)三維模型的計(jì)算分析，得到的最終支護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載與預(yù)變形量關(guān)系曲線如圖2所示。通過比較分析，既不能使圍巖出現(xiàn)過大的屈服區(qū)（要求錨桿長度要深入屈服范圍外1.0m左右），又要使支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力在屈服極限范圍內(nèi)，因此，判斷圍巖預(yù)變形量取8.93cm較為合適，即此時(shí)進(jìn)行支護(hù)是合理的。

圖2 初期支護(hù)最大壓應(yīng)力最大值與彈模折減值關(guān)系曲線圖

3.3 最佳支護(hù)時(shí)機(jī)確定

由真三維模型計(jì)算得到的圍巖變形與掌子面距離關(guān)系曲線如圖3所示，從中看出，在準(zhǔn)三維分析中圍巖預(yù)變形量取8.93cm，也就相當(dāng)于真三維模型中掌子面前進(jìn)5.5m時(shí)的圍巖變形。因此，當(dāng)掌子面前進(jìn)5.5m時(shí)，對圍巖進(jìn)行支護(hù)較為合理。

4 結(jié)語

綜上所述，基于新奧法充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力的思路，得出掌子面距離可作為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的確定指標(biāo)。利用數(shù)值模擬方法將圍巖預(yù)變形量作為真三維模型掌子面距離與準(zhǔn)三維模型降彈模方法的橋梁。通過準(zhǔn)三維模型分析圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，以此確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。

圖3 掌子面距離與圍巖位移關(guān)系圖

在實(shí)際工程中，由于存在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性、工程施工不可控性等因素，對于各種斷面隧洞，還要繼續(xù)研究完善。