南水北調(diào)中線霧山（二）隧洞洞身穩(wěn)定分析

閻忠

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

南水北調(diào)中線霧山（二）隧洞洞身穩(wěn)定分析

閻忠

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

洞身穩(wěn)定分析目的是了解圍巖的穩(wěn)定狀況；由于地質(zhì)條件的變化，圍巖穩(wěn)定分析工作非常困難。為確保隧洞開挖過程安全，對洞室周邊切向應(yīng)力和切向二次應(yīng)力分析進(jìn)行了計算，得出了圍巖穩(wěn)定受其巖石爆破和施工方法的影響，建議在隧洞開挖過程中，嚴(yán)格按新奧法施工。

南水北調(diào)中線；隧洞穩(wěn)定；應(yīng)力分析

1 概述

霧山（二）隧洞位于河北省滿城縣尉公村北，是南水北調(diào)中線工程的一座大型建筑物，工程設(shè)計流量135m3/s，加大流量160m3/s。工程全長495m，其中隧洞洞身長400m，雙洞線布置，采用無壓流圓拱直墻型斷面，洞身凈寬2m×7.5m。

霧山（二）隧洞位于太行山低山丘陵區(qū)，洞身穿越霧山主峰東南段余脈，隧洞穿越的山丘最大高程200m，相對高差140m，進(jìn)出口山體30°～50°坡度，高程180m以上28°坡度變緩。

山體均由霧迷山組碳酸巖組成，植被差，基巖裸露。洞身全部位于微風(fēng)化燧石條帶白云巖中，洞身未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造。

洞身穩(wěn)定分析的目的，是了解圍巖的穩(wěn)定狀況；但由于地質(zhì)條件千變?nèi)f化，使得圍巖穩(wěn)定分析工作非常困難。由于隧洞開挖破壞了巖體原有的應(yīng)力分布，當(dāng)重新分布后的應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度時就會引起圍巖較大的塑性變形，逐漸發(fā)展產(chǎn)生松動圈，形成荷載。為了確保隧洞開挖過程的安全，應(yīng)進(jìn)行洞室周邊切向應(yīng)力和切向二次應(yīng)力的分析計算。

2 洞室周邊切向應(yīng)力分析

洞室開挖后，以周邊應(yīng)力不超過該處巖石的允許應(yīng)力為條件，驗(yàn)算洞周巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是否滿足要求。

隧洞進(jìn)出口部位的圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬穩(wěn)定性較差的巖石，但進(jìn)出口IV類圍巖段僅各為10m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖段占洞身段的95%，洞身圍巖較好；由于霧山（二）隧洞的出口與界河渠道倒虹吸相連，從隧洞出口至倒虹吸進(jìn)口僅有25m的距離，根據(jù)出口地形條件及總體布置要求，隧洞兩洞之間的巖體厚度不宜太大，以免影響隧洞出口水流向界河渠道倒虹吸的平穩(wěn)匯流。綜合考慮，隧洞之間的巖體厚度采用1.5倍的開挖洞徑，即巖體厚度取13.1m。

隧洞進(jìn)出口段均為Ⅳ類圍巖，圓拱直墻型斷面，開挖寬度9.0m，開挖高度9.77m，巖石產(chǎn)狀近水平狀，為含燧石條帶白云巖，容重γ=28kN/m3，洞頂最大埋深20m，飽和抗壓強(qiáng)度fr=60～80MPa，抗拉強(qiáng)度ftr= 7.3MPa，巖石泊松比μ=0.3。側(cè)壓力系數(shù)：0.429，巖柱厚13.1m，垂直山巖壓力Pv為0.56MPa，水平壓力Ph為0.24MPa。

洞室周邊切向應(yīng)力計算公式為：

式中σt為洞周邊切向應(yīng)力（MPa）；C′h為洞應(yīng)力圍巖水平系數(shù)，為垂直向應(yīng)力集中系數(shù)，為洞開挖寬度，B=9.0m；Bp為巖柱厚度，取13.1m。

洞周切應(yīng)力計算結(jié)果如表1。

表1 洞周切應(yīng)力計算結(jié)果單位：MPa

從表1可知，當(dāng)兩洞之間巖柱的厚度為13.1m時，洞周邊切向應(yīng)力均小于巖石的允許應(yīng)力，圍巖是穩(wěn)定的。

3 洞室周邊二次切向應(yīng)力分析

根據(jù)彈性理論，依據(jù)《巖土工程手冊》“圍巖二次應(yīng)力—彈性理論”計算，洞室周邊二次切向應(yīng)力計算公式為：

式中σt為洞室周邊二次切向應(yīng)力（kN/m2）；c′為洞室周邊切向應(yīng)力集中系數(shù)。依據(jù)側(cè)向壓力k0和周邊位置確定為圍巖容重（kN/m3），γⅡ取2.7×10kN/m3，γⅢ=2.6×10kN/m3；H為隧洞埋深（m）。

隧洞的洞室周邊二次切向應(yīng)力，如表2、表3。

Ⅱ類圍巖的抗壓強(qiáng)度為120～140MPa，抗拉強(qiáng)度為7.0MPa；Ⅲ類圍巖的抗壓強(qiáng)度為90～100MPa，抗拉強(qiáng)度為6.0MPa。

表2 洞室周邊二次切向應(yīng)力單位：MPa

表3 洞周二次切向應(yīng)力單位：MPa

計算結(jié)果表明，隧洞在開挖過程中產(chǎn)生的周邊切向二次應(yīng)力無論是拉應(yīng)力，還是壓應(yīng)力，其安全系數(shù)均大于2.0，說明Ⅱ、Ⅲ類圍巖段在開挖過程中是穩(wěn)定的。

4 結(jié)語

通過對洞室周邊切向應(yīng)力和二次切向應(yīng)力分析計算，摸清了圍巖穩(wěn)定狀況，得出了洞身穩(wěn)定直接受巖石爆破參數(shù)和施工方法的影響，因此在隧洞開挖過程中必須嚴(yán)格按新奧法施工。

［1］SL279—2002，水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］DL5007—2002，水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］段樂齋.水利水電工程地下建筑物設(shè)計手冊［K］.重慶：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［4］巖土工程手冊編委會.巖土工程手冊［K］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［5］GB50086—2001，錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

Stability Analysis of the South-to-North Water Diversion Project Wusan（2）Tunnel Hole Body

YAN Zhong
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

The purpose of the hole body stability analysis is to understand the situation of surrounding rock stability；but due to various geological conditions，the surrounding rock stability analysis is very difficult to work.In order to ensure the safety of the tunnel excavation process，should be analysed and calcuted tangential stress and tangential secondary stress around cavern.It is concluded that the stability of surrounding rock is affected by the rock blasting and the construction methods，suggesting the construction in strict accordance with the new Austria tunneling method in the process of tunnel excavation.

South-to-North Water Diversion Project；tunnel stability；stress analysis

TV554

B

1672-9900（2014）03-0053-02

2013-12-11

閻忠（1969-）,男（漢族），河北大廠人，高級程師，主要從事水利工程設(shè)計工作，（Tel）13821163566。