關(guān)于輸水隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性分析

王淑勤

福建省廈門市汀溪水庫管理處（361000）

關(guān)于輸水隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性分析

王淑勤

福建省廈門市汀溪水庫管理處（361000）

在輸水隧洞開挖施工過程中，可能會導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，并且出現(xiàn)圍巖變形、應(yīng)力集中等問題，進(jìn)而對圍巖穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。隧洞支護(hù)是提高圍巖穩(wěn)定性的有效方法和措施，文章以廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞項目為例，就其支護(hù)方案，談一下個人的觀點和認(rèn)識，以供參考。

輸水隧洞；支護(hù)結(jié)構(gòu)；分析

1　工程概況

廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程為市重點工程，其主要建設(shè)內(nèi)容：管線工程、隧道工程等。該項目采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，長8991m，管徑DN1400，輸水流量為1.50m3/s，隧洞長959m，概算投資9109萬元。項目建成后可實現(xiàn)為同翔兩區(qū)應(yīng)急供水10d；同時實現(xiàn)汀溪水庫一支渠、梅山供水、竹壩水庫三條輸水線路的并聯(lián)調(diào)度，將同翔兩區(qū)的三大水源進(jìn)行了源水聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了三大水源的統(tǒng)一調(diào)度，大大提升供水保證率，保障供水安全。

該隧洞Ⅴ類圍巖初期支護(hù)原設(shè)計采用錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，本隧洞圍巖基本都是Ⅴ類圍巖，還存在斷層破碎帶，因此本次支護(hù)施工，變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，以此來提高圍巖穩(wěn)定性。Ⅲ類圍巖段初期支護(hù)方案按原設(shè)計施工，不作變更。

2　竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞支護(hù)施工技術(shù)

2.1計算前提分析

基于上述隧洞部分的地質(zhì)資料分析，隧洞工程圍巖基本為V類圍巖，還存在斷層破碎帶，圍巖穩(wěn)定性差。本次初期支護(hù)方案變更設(shè)計主要分為V類圍巖段、斷層破碎帶，其他特殊地質(zhì)情況應(yīng)以經(jīng)各參加單位商量確認(rèn)后的方案執(zhí)行。根據(jù)地質(zhì)資料分析以及參照原施工圖的隧洞縱斷面圖中各段圍巖樁號的劃分情況，壩頭及猴石山隧洞具體圍巖類別情況按樁號細(xì)分如下：

1）壩頭：k0+005-k0+080，F(xiàn)1斷層破碎帶（75m）；k0+080-k0+525，V類圍巖段（445）。

2）猴石山：k9+430.44-k9+580，V類圍巖段（149.56m）；k9+580-k9+635，F(xiàn)7斷層破碎帶（55 m）；k9+635-k9+660，Ⅲ類圍巖段（25m）；k9+660-k9+730，F(xiàn)8斷層破碎帶（70m）；k9+730-k9+760，Ⅲ類圍巖段 （30m）；k9+760-k9+810，V類圍巖段（50 m）；k9+810-k9+869.44，F(xiàn)9斷層破碎帶（59.44m）。

綜上地質(zhì)情況，本次隧洞V類圍巖初期支護(hù)方案擬由錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，以加強(qiáng)初期支護(hù)荷載能力。隧洞V類圍巖段初期支護(hù)變更設(shè)計增加的鋼拱架總裝圖如圖1所示。

圖1　鋼拱架總裝圖

2.2計算模型

計算模型不考慮系統(tǒng)錨桿的有利作用，采用圍巖彈性支撐模型，利用MidasGTS建模計算。通過荷載計算，圍巖自重25kN/m3。垂直荷載按深埋荷載計算出的全部荷載值加載，標(biāo)準(zhǔn)值為86kPa，水平荷載30kPa。有限元計算結(jié)果：基本組合彎矩與基本組合軸力。本次計算初期支護(hù)按承擔(dān)全部荷載計算，拱部跨中位置彎矩最大，為25.2kN·m，計算中有限元模型為平面模型，初支參數(shù)為每延米對應(yīng)的參數(shù)。即初支每1m承擔(dān)的最大彎矩為25.2kN·m，為簡化分析，按純彎構(gòu)件計算初支的承載能力。初期支護(hù)斷面為20cm，C20混凝土配單層Φ8鋼筋網(wǎng)（20cm×20cm），鋼拱架為100cm間距I14工字鋼，簡化為型鋼混凝土斷面，斷面高20cm，寬100cm，斷面內(nèi)配一榀14工字鋼，則該斷面對應(yīng)的彎矩為25.2kN·m。不考慮型鋼混凝土截面中混凝土及鋼筋網(wǎng)的有利影響，僅考慮14工字鋼作用，以下驗算工字鋼的承載能力。每榀14工字鋼承擔(dān)25.2kN·m彎矩，經(jīng)計算工字鋼最大拉壓應(yīng)力為247MPa，小于鋼材允許應(yīng)力300MPa。由于本工程大部分都是V類圍巖，且有F1、F7、F8、F9斷層破碎帶經(jīng)過，從工程偏安全考慮，I14工字鋼鋼拱架間距采用75cm。

3　隧洞橫斷面形狀

隧洞軸線與原設(shè)計相同。本次隧洞橫斷面形狀變更主要是由圓形斷面變更為馬蹄形斷面。故本報告僅對隧洞橫斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。本項目隧洞工程根據(jù)新奧法原理采用復(fù)合式襯砌，利用初期支護(hù)的快速支護(hù)控制圍巖變形，并提高圍巖的自承能力。復(fù)合式襯砌在V類圍巖段應(yīng)二次襯砌緊跟初期支護(hù)，以承擔(dān)大部分圍巖荷載。但本項目隧洞二次襯砌后內(nèi)凈寬尺寸為直徑2m圓形斷面，采用二次襯砌緊跟初期支護(hù)的施工工序，隧洞內(nèi)操作機(jī)械不易。基于上述原因，本項目隧洞橫斷面形狀擬由圓形斷面變更為馬蹄形斷面。

1）變更原則

保證隧洞過流斷面與原設(shè)計基本一致；保證隧洞結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)安全；隧洞斷面結(jié)構(gòu)施工可行。

2）隧洞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

竹壩水庫輸水工程工程等別定為Ⅲ等，隧洞等主要建筑物工程均按3級設(shè)計，主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇設(shè)計、50年一遇校核防洪標(biāo)準(zhǔn)。變更后標(biāo)準(zhǔn)與原設(shè)計相同。

3）隧洞橫斷面形狀設(shè)計

本次隧洞橫斷面形狀變更主要是由圓形斷面變更為馬蹄形斷面。

4）隧洞結(jié)構(gòu)安全分析

Ⅴ類圍巖二次襯砌可偏保守的按4m覆土進(jìn)行強(qiáng)度校核。對Ⅴ類圍巖二次襯砌進(jìn)行必要的簡化，按梁系單元進(jìn)行有限元計算，簡化后的模型如圖2。

由上述建模分析可知，最不利位置為仰拱中心位置，彎矩為24.57kN·m；此處襯砌厚30cm，按最小配筋率（雙側(cè)0.6%）配筋，配Φ16@20cm的主筋，計算得承載力為61.52kN·m，滿足承載力要求。

5）隧洞水力計算

隧洞粗糙系數(shù)n值采用的計算公式與管道相同。全斷面綜合粗糙系數(shù)n按下式計算：

對于非圓形截面管道，其當(dāng)量直徑為de=4A/x

A為有效截面積，x為濕周。沿程阻力損失hf= λlv2/de2g，λ=f（Re，ε/d）。

其中：l為管段長度（m）；de為當(dāng)量直徑；λ為沿程阻力系數(shù)；v為斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計算，變更后的馬蹄形隧洞當(dāng)量直徑de=2，與原直徑2m的圓形隧洞直徑相當(dāng)，原壩頭圓形隧洞水利損失為0.63m，猴石山圓形隧洞水利損失為0.53m。改為馬蹄形后，壩頭隧洞水利損失為0.71 m，猴石山隧洞水利損失為0.59m。因此，隧洞橫斷面形狀改為馬蹄形后不影響隧洞使用。隧道斷面圍巖強(qiáng)度低，采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，圍巖強(qiáng)度能夠大幅度提升，應(yīng)力水平發(fā)生變化以后，屈服面積縮減，大大提高了圍巖穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對輸水隧洞進(jìn)行支護(hù)，是目前較為普遍應(yīng)用的一種柔性支護(hù)技術(shù)和方法，可將原本比較被動的支護(hù)轉(zhuǎn)化成一種較為主動的支護(hù)，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠與圍巖構(gòu)成一個整體，共同支撐圍巖壓力。采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，與圍巖之間的接觸面積比較大，而且全面接觸能夠優(yōu)選改善圍巖負(fù)荷分布與相互作用效果，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個整體。初期進(jìn)行臨時支護(hù)以后，圍巖仍會出現(xiàn)變形問題，支護(hù)時以變形形式變成工程力以及圍巖承載力，這樣可以避免松動，最大限度地發(fā)揮圍巖塑性區(qū)的承載作用。

［1］紀(jì)鵬.關(guān)于輸水隧洞施工支護(hù)技術(shù)的探索分析［J］黑龍江水利科技，2014（08）.

［2］劉厚銀.深埋隧洞圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［D］浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

［3］廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞項目設(shè)計變更報告專家組評審意見［R］.2013，10，25.

［4］廈門市水利局.竹壩水庫至梅山水廠輸水項目現(xiàn)場協(xié)調(diào)專題會議紀(jì)要［R］.2013，7.

［5］廈門市汀溪水庫管理處.關(guān)于竹壩水庫至梅山水廠輸水項目隧洞開挖支護(hù)方案及隧洞橫斷面形狀變更設(shè)計委托函［R］.廈汀水函，2013，25.