輸水隧洞的支護結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性分析

楊曉瑩

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

輸水隧洞的支護結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性分析

楊曉瑩

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

隧道開挖引起應(yīng)力的重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中、圍巖變形等問題，產(chǎn)生圍巖穩(wěn)定問題，而隧道支護是解決圍巖穩(wěn)定問題的重要措施之一。本文結(jié)合觀音閣引水工程隧道支護方案，分析了錨網(wǎng)噴支護結(jié)構(gòu)的工作機理，并通過數(shù)值模擬的方法，驗證了錨網(wǎng)噴支護對提高圍巖穩(wěn)定性的效果。

輸水隧洞；支護結(jié)構(gòu)；錨網(wǎng)噴支護；穩(wěn)定性

1 概述

1.1 工程概況

觀音閣引水工程隧道的圍巖地質(zhì)條件較差，隧道圍巖主要為炭質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，整個洞身段劃分為Ⅲ類圍巖，進、出口段圍巖為Ⅳ類。由于單一的支護型式效果不理想，所以采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護方式。

1.2 錨網(wǎng)噴加固機理

巷道洞室開挖必然破壞原有的應(yīng)力平衡，引起巷道圍巖應(yīng)力的重新分布，個別區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果集中應(yīng)力超過圍巖的強度，圍巖就會出現(xiàn)塑形變形，釋放部分的應(yīng)力，這時圍巖并不是完全喪失承載能力，還存在殘余強度，需要及時進行巷道支護。錨網(wǎng)噴加固機理是將圍巖看作連續(xù)介質(zhì)，在受到圍巖應(yīng)力重新分布以后，選擇巷道塑形變形能量釋放的最佳支護時間，封閉節(jié)理，把破碎的圍巖結(jié)合起來，利用錨網(wǎng)噴加固使得所形成的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)與圍巖形成一個統(tǒng)一的整體，承受自重和上部的山巖壓力作用，抑制圍巖變形，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，提高圍巖自穩(wěn)能力。

2 支護設(shè)計

錨桿主要對隧道頂部的巖體圍巖松動圈進行錨固，防止垮落。噴射混凝土的作用是及時把圍巖封閉，并起到隔離水的作用，鋼筋網(wǎng)主要是支承錨桿之間的圍巖，將單個錨桿聯(lián)結(jié)成整個錨桿群，和混凝土一起形成薄壁混凝土支護圈。錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護允許圍巖有一定的變形，支護性能符合對隧道地質(zhì)條件差的一次支護要求，提高圍巖的巖石強度，保持圍巖的穩(wěn)定性。

2.1 錨桿選取

影響錨桿支護效果的主要因素有錨桿的承載能力、長度、排列間距、錨桿安裝角度以及圍巖條件等。設(shè)計錨桿支護時應(yīng)綜合考慮各方面因素，錨桿必須具有足夠的強度，才能在圍巖應(yīng)力變形時保持圍巖穩(wěn)定，不會出現(xiàn)錨桿破裂的現(xiàn)象；根據(jù)錨桿的懸吊理論，錨桿端頭應(yīng)固定在穩(wěn)定巖體內(nèi)；錨桿安設(shè)的間距應(yīng)保證整個隧道圍巖都處于錨桿兩端所形成的壓力拱內(nèi)；錨桿安裝角度應(yīng)避免錨桿與節(jié)理裂隙面平行，而使錨桿喪失支護作用；根據(jù)圍巖實際條件，與支護施工工藝相結(jié)合，調(diào)整錨桿規(guī)格，發(fā)揮錨桿支護效果。

錨桿類型多種多樣，應(yīng)根據(jù)實際工程地質(zhì)條件以及圍巖應(yīng)力計算結(jié)果選取錨桿參數(shù)，本工程選取能夠快速施工的水泥砂漿錨桿，增設(shè)墊板和錨桿頭，提高支護效果。頂板錨桿和幫錨桿長度都選取2m，錨桿分布間距為1m，直徑為22m m。

2.2 噴射混凝土和掛鋼筋網(wǎng)的參數(shù)

隧洞支護按照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》SL 279-2002有關(guān)條文，以最小覆蓋厚度為標(biāo)準，計算公式為：

式中γW—水的重度，kN/m3，取10；γr—巖體重度，kN/m3，取23；D—最小覆蓋厚度，m；H—最大內(nèi)水壓力水頭，取89m；K—經(jīng)驗系數(shù)，K =1.1；α—坡面傾角，α＞45°時取45°。

通過計算分析，可得壓力洞最小覆蓋厚度為60.2m，覆巖厚度小于這一標(biāo)準的地段需要進行特殊工程處理，洞項覆蓋土層厚度小于這一標(biāo)準的洞段（0+603.72～0+756.65m）也要采取工程措施，內(nèi)襯鋼管，隧道其他洞段采用混凝土襯砌。

工程全部采用C 25混凝土，對于不同圍巖類型采取不同的支護施工方案，見表1。

受到社會經(jīng)濟大環(huán)境的影響，部分教工黨員缺乏自身政治學(xué)習(xí)的觀念，在個人的理想信念和價值觀念上認識模糊，放松了個人的理論知識的學(xué)習(xí)，及弱化了個人的組織紀律性。教工黨支部在提高教工黨員政治理論素質(zhì)、增強黨性觀念、堅定理想信念的教育貫徹方面仍做得不夠透徹。

表1 不同圍巖類型所采取的不同支護施工方案

3 輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析

輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析采用數(shù)值模擬軟件F L A C D 3D進行，模擬輸水隧道未錨噴（工況一）和錨噴（工況二）的圍巖塑性區(qū)分布，以及圍巖灌漿圈最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的分布圖，巷道一次開挖成功，隧道壁施加應(yīng)力擾動載荷，分析了兩種情況下的圍巖穩(wěn)定情況。洞身為圓形，直徑Φ 3.6m。見圖1。

圖1 洞身段支護結(jié)構(gòu)示意圖

各材料力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各材料力學(xué)參數(shù)

3.1 圍巖應(yīng)力

隧道圍巖應(yīng)力計算公式有平衡拱理論、太沙基理論、圍巖壓力系數(shù)法以及鐵道部隧道規(guī)范法，相比較而言，平衡拱理論易于理解和計算，也適合本工程的地質(zhì)條件，因此選用平衡拱理論進行圍巖壓力計算。平衡拱理論認為在巷道洞室開挖以后，洞室頂部巖石在山巖壓力的作用下會逐漸垮落，最終形成一個拱型。如側(cè)壁穩(wěn)定，拱高會隨著巖石的垮落而逐漸增加，反之兩者都會同步增加。圍巖壓力的形成主要是由于平衡拱與襯砌間的破碎巖體重量。

洞側(cè)壁穩(wěn)定時，洞頂圍巖壓力計算公式為：

其中：ρ為巖體密度，g為重力加速度；

參照松動圈理論，本工程圍巖壓力計算Ⅳ類圍巖平衡拱高150c m，Ⅴ類圍巖取取200c m。

平衡拱高計算公式為：b=h×f

對于本工程洞身I V類圍巖平衡拱半跨b=h×f =150×3.0=450.0c m，拱面積為963.4c m2。

隧道進出口V圍巖平衡拱半跨b=h×f=200× 2.43=486.0c m，拱面積為1082c m2。則I V類圍巖的平衡拱圍巖壓力為：

V類圍巖平衡拱壓力計算：

3.2 載荷計算

隧洞混凝土襯砌段結(jié)構(gòu)受力分析：基本荷載組合：山巖壓力+襯砌自重+外水壓力+內(nèi)水壓力。具體計算結(jié)果見表3。

表3 隧道混凝土襯砌內(nèi)力計算結(jié)果表

3.3 模擬計算網(wǎng)格

計算范圍為實際結(jié)構(gòu)的一半，超過計算邊界到隧洞距離的三倍。邊界約束條件為上邊界自由，其余邊界為單連桿約束，見圖2。

圖2 計算網(wǎng)格

3.4 模擬結(jié)果

工況一和工況二的屈服區(qū)分布，如圖3所示：

圖3 工況一和工況二的屈服區(qū)分布

工況一和工況二灌漿圈最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖4、圖5所示。

3.5 分析計算結(jié)果及穩(wěn)定性分析

隧道斷面本身的圍巖強度低、巖性差，如不施加錨噴灌漿支護，洞壁附近會出現(xiàn)大面積的屈服失穩(wěn)情況，屈服區(qū)域集中在頂?shù)装?0度范圍內(nèi)，深度在0.6～1.6m。施加錨噴灌漿支護之后，圍巖強度得到了大幅度提升，在相同的應(yīng)力水平變化下，屈服面積大大縮減，圍巖穩(wěn)定性得到了保證。

4 結(jié)論

錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護是現(xiàn)今地下隧道支護應(yīng)用較為普遍的柔性支護方式，能將被動支護轉(zhuǎn)化為主動支護，圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同承載圍巖壓力。其支護作用效果可以概述為以下幾方面：

圖4 工況一最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力

T V 672

A

1672-2469（2015）06-0065-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.022

楊曉瑩（1979年—），女，工程師。