膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程村里隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)

單既連，葉 昆，宋文軍

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014；2.淄博泰信巖土工程有限公司，山東 淄博 256100）

山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程自黃河引水，利用現(xiàn)有的引黃濟(jì)青部分輸水河、新辟輸水明渠、七級(jí)提水泵站、壓力管道、隧洞及暗渠輸水至威海市米山水庫，輸水線路總長(zhǎng)482.247km，設(shè)計(jì)流量為4.8～22.0m3/s。

村里隧洞位于蓬萊市村里集鎮(zhèn)，全長(zhǎng)6347.3m，設(shè)計(jì)流量為11.0m3/s，校核流量為14.3m3/s，凈斷面尺寸3.8m×3.3m（寬×高）加半圓拱，縱向比降為1/1500。

該段地質(zhì)條件為：斷層、斷裂構(gòu)造帶和節(jié)理密集帶巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈，蝕變明顯，圍巖整體性差，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為45.8MPa，中硬巖石，不完整系數(shù)為0.405，巖體完整性差，局部漏水較重，可能產(chǎn)生集中涌水，圍巖分類為Ⅴ類，穩(wěn)定性差，圍巖強(qiáng)度不足，局部會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，若不支護(hù)將產(chǎn)生塌方或變形破壞。

1 復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于Ⅴ類圍巖采用復(fù)合支護(hù)形式，初期為噴、錨、網(wǎng)、鋼架組合支護(hù)，二期為鋼筋混凝土支護(hù)。

1.1 超前支護(hù)

洞口段及斷層帶圍巖、易埸方、冒頂段全斷面采用Ф42小導(dǎo)管注漿；花崗巖散體狀結(jié)構(gòu)、砂礫堆積層采用自進(jìn)式中空注漿錨桿；一般斷層影響帶、節(jié)理密集帶及偶遇滲水～經(jīng)常滲水的IV類圍巖采用Ф18mm超前錨桿。超前錨桿或小導(dǎo)管的長(zhǎng)度應(yīng)大于循環(huán)進(jìn)尺的2倍，宜為3～3.5m，搭接長(zhǎng)度不小于1.0m。

1.2 初期支護(hù)

采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿組成支護(hù)體系，并視情況采用格柵鋼架。開挖后噴射5cm厚的C25混凝土，掛Ф8mm鋼筋網(wǎng)及鋼架，再噴5～15cm厚的C25混凝土。

1.3 二次襯砌

采用模筑C25鋼筋混凝土，厚度為25cm。二次襯砌每15.0m一節(jié)，節(jié)間設(shè)伸縮縫，縫寬20mm，內(nèi)設(shè)止水和閉孔泡沫板。

1.4 監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)

采用錨噴構(gòu)筑法修建隧洞，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目不僅是監(jiān)測(cè)各施工階段圍巖和支護(hù)動(dòng)態(tài)，確保施工安全，而且為調(diào)整初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、確定二次襯砌和底板的施作時(shí)間，提供反饋信息，作為支護(hù)調(diào)整的依據(jù)。

2 支護(hù)技術(shù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在隧洞施工過程中，通過對(duì)工程全面監(jiān)測(cè)信息的綜合分析及互相論證，采用動(dòng)態(tài)變形反演算仿真分析法，通過有限元計(jì)算分析，論證設(shè)計(jì)支護(hù)方案的安全、經(jīng)濟(jì)性，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供技術(shù)支持，同時(shí)根據(jù)分析情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。

2.1 仿真計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在數(shù)值模擬時(shí)采用以下步驟模擬施工過程和順序：先開挖隧洞的上半部分，進(jìn)行初期支護(hù)，施工1～2個(gè)循環(huán)后再開挖隧洞的下半部分，進(jìn)行初期支護(hù)。

根據(jù)不同施工階段，共劃分為733個(gè)單元，如圖1。

2.2 預(yù)支護(hù)方案

圖1 開挖后的單元?jiǎng)澐謭D

預(yù)支護(hù)方案情況下，實(shí)測(cè)斷面隧洞鉛垂收斂值為12.2mm，水平收斂值為14.6mm；經(jīng)反演算分析，隧洞鉛垂收斂為15.3mm，水平收斂為15.2mm。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本相當(dāng)，都小于Ⅴ類圍巖設(shè)計(jì)允許變形量50～80mm的要求，說明支護(hù)還有優(yōu)化的余地，在調(diào)整支護(hù)參數(shù)后再進(jìn)行反演算分析，最終根據(jù)不同的地質(zhì)條件確定合適的支護(hù)方案。

2.3 動(dòng)態(tài)調(diào)整方案

根據(jù)預(yù)支護(hù)計(jì)算分析成果，對(duì)噴射混凝土厚度、鋼筋網(wǎng)直徑、鋼拱架的間距、二次支護(hù)的厚度及各施工工序的施作時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后經(jīng)計(jì)算，噴射混凝土的最大拉應(yīng)力是0.92MPa，最大壓應(yīng)力為1.97MPa，均滿足C25混凝土的抗拉及抗壓要求；拱頂最大向下位移是12.26mm，底板最大向上位移是64.84mm，鉛垂收斂值為77.1mm，水平收斂值為52.7mm。實(shí)測(cè)拱頂最大向下位移為22.8mm，實(shí)測(cè)水平收斂值為52.82mm，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本接近，說明支護(hù)參數(shù)的選擇比較合理。

3 結(jié)語

通過對(duì)隧洞支護(hù)進(jìn)行有限元反演算仿真分析，根據(jù)不同時(shí)段量測(cè)的圍巖的各種位移變形量及收斂值，采用有限元計(jì)算軟件，對(duì)圍巖及支護(hù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的整體有限元反演算分析，提出符合實(shí)際情況的安全經(jīng)濟(jì)的隧洞支護(hù)形式。較之過去一般的工程類比法，反演算仿真分析法無論在理論內(nèi)涵或工程應(yīng)用上，都具有優(yōu)越性，使隧洞工程設(shè)計(jì)從目前的定性水平，提高到理論——經(jīng)驗(yàn)——信息資料與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的綜合集成定量化水平。