高地應力條件下德羅電站軟巖引水隧洞洞型與支護設計

陳 銳，李嬌娜，孫海清，李 坤

（長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，430010，武漢）

高地應力條件下德羅電站軟巖引水隧洞洞型與支護設計

陳 銳，李嬌娜，孫海清，李 坤

（長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，430010，武漢）

德羅電站引水隧洞具有距離長、埋深大、洞室圍巖為軟巖和地應力水平高的特征，確定隧洞斷面形式及支護方式，是隧洞工程設計的重點及難點。針對過流能力、結構受力、施工條件、工程投資和工期控制等，對不同斷面形式隧洞進行比較分析，推薦采用平底馬蹄形斷面。根據(jù)隧洞沿程圍巖類型，確定隧洞各洞段支護方式。三維數(shù)值計算表明，德羅電站引水隧洞平底馬蹄形斷面選擇和支護設計方式是合適的，可為同類隧洞工程設計提供參考。

拉洛；德羅電站；引水隧洞；高地應力；軟巖；洞型

一、德羅電站引水隧洞工程及地質(zhì)概況

1.工程概況

西藏拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程由樞紐和四大灌區(qū)工程兩部分組成，樞紐工程包括大壩、泄洪建筑物、魚道、德羅引水隧洞、德羅電站和拉洛電站。

德羅引水隧洞連接樞紐及灌區(qū)，庫水通過隧洞經(jīng)德羅電站發(fā)電后進入灌區(qū)。隧洞進口在距離壩址約6 km的加木扎處，隧洞沿線地面高程4 630～4 815 m，隧洞埋深100～213 m。平面上隧洞采用兩段弧線連接3段直線段布置。隧洞直線進口4 724 m后接轉角35.9°弧線段，轉向后接長2 376 m直線段，末端再轉角73.5°后接長54.5 m直線段至隧洞出口，線路總長7 536.16 m。

隧洞采用無壓引水，設計引用流量19.4m3/s，最大引用流量23.3m3/s，進口高程4283.50m，出口高程4 280.00 m，坡比0.466‰，由進口消力池段、洞身標準段和出口加高段三部分組成。

2.工程地質(zhì)條件

工程區(qū)褶皺構造主要為吉定—直崗復式向斜，在洞身及出口段等部位頁巖與砂巖薄層相間巖層褶皺劇烈，在數(shù)十米范圍見多個褶皺分布。隧洞所經(jīng)過的主要地層為侏羅系中—上統(tǒng)遮拉組 （J2-3Z）：主要為深灰色、灰色砂巖與頁巖互層，局部夾玄武巖及安山巖，含硅質(zhì)結核和泥質(zhì)、炭質(zhì)結核等。地層地下水總體不豐，侏羅系弱風化頁巖中等透水，微新頁巖弱透水。

德羅隧洞區(qū)域構造呈總體東西向分布，初步分析區(qū)域構造應力方向與之垂直，區(qū)域主應力方向為近南北向。最大水平主應力方向側壓系數(shù)σH/σz范圍為1.1～1.9。德羅電站地基巖體物理力學參數(shù)建議值詳見表1。

表1 德羅隧洞圍巖巖石物理力學性質(zhì)參數(shù)建議值

二、德羅隧洞設計主要技術難點

根據(jù)工程地質(zhì)條件和選定的洞線布置方案，洞身圍巖 IV1類洞段長2 292 m，占30.41%；IV2類洞段長3 655 m，占48.50%；V類圍巖洞段長1 589.16 m，占21.09%。同時德羅隧洞洞段的最大埋深為213 m，計算最大水平地應力為9.1 MPa，最大水平主應力方向與洞軸線夾角約56°。根據(jù)洞身走向、埋深及地質(zhì)條件，德羅隧洞設計主要面臨以下難點：

①洞身圍巖均屬軟巖，總體傾向NE，均為陡傾，與洞室右邊墻開挖卸荷后易出現(xiàn)層理面的順層松弛；

②最大水平向主應力與部分隧洞走向呈大角度相交，最大水平應力處交角為56°，強度應力比小于1，開挖后變形持續(xù)時間較長，且變形量值相對較大，流變特征十分明顯；

③圍巖巖體存在失水軟化，長時間泡水后散體的物理現(xiàn)象，軟化系數(shù)小，吸水后抗壓強度降低十分明顯；

④圍巖類別低，必須保證施工安全，施工完成后需保證洞室長期穩(wěn)定運行；

⑤隧洞施工為整個樞紐工程施工的控制工期，確保隧洞順利施工也是設計中需要考慮的重要問題。

德羅引水隧洞設計需面臨高地應力條件下軟巖成洞及長期穩(wěn)定的問題，需要從隧洞基本斷面形式、支護方式、開挖方式以及交通等多方面進行綜合考慮。

三、德羅引水隧洞洞型選擇

1.斷面形式初擬

常見的深埋軟巖隧洞斷面形式一般有圓形、城門洞形（圓拱直墻形）和馬蹄形，根據(jù)灌溉流量要求擬定德羅引水隧洞各類型洞室斷面的尺寸。

在滿足設計過流能力的前提下，3種斷面形式中圓形斷面最小，過流條件最好，洞室圍巖穩(wěn)定與襯砌結構受力條件均最優(yōu)。但從施工條件角度，德羅引水隧洞需采用全斷面鉆爆法施工，圓形斷面底部不平整，弧形底面對施工運輸有影響，采用鉆爆法施工時交通不便，出渣困難，將大大增加施工工期，若采用先平底后再進行二次開挖，將同樣引起工期延長，并導致造價增加；城門洞形和馬蹄形斷面底部相對平整，適于開挖后機械化交通與出渣，方便支護及襯砌施工，而為解決高外水壓力帶來的影響，德羅隧洞采用無壓引水，結合德羅引水隧洞實際情況，隧洞斷面形式主要對城門洞形斷面和馬蹄形斷面進行比選。

2.斷面形式比選

城門洞形斷面和馬蹄形斷面過流能力與施工便利條件基本相當，因此主要從洞室圍巖穩(wěn)定、襯砌結構受力和工程量等方面對兩種斷面形式進行比較。

在圍巖穩(wěn)定方面，采用平面有限元取不同埋深洞段，各計算斷面的埋深分別為213 m、179 m和97 m。以隧洞區(qū)域的初始地應力實測數(shù)據(jù)為基礎，并結合折線方案所選取的3個計算斷面所在區(qū)域的洞軸線實際走向，可確定對于選定的3個計算斷面，初始地應力場的水平向大主應力方向與洞軸線的夾角分別為56°、56°和22°，相應水平向大主應力側壓力系數(shù)分別為1.7、1.7和1.1。

經(jīng)過城門洞形及馬蹄形斷面在各種埋深條件下圍巖穩(wěn)定計算，其計算模型詳見圖1，計算結果詳見表2。由表2分析可知，雖然城門洞形和馬蹄形斷面均能滿足隧洞穩(wěn)定要求，但馬蹄形斷面因其體型優(yōu)勢，圍巖承載條件較城門洞形好，圍巖最大變形較城門洞形減小5%～7%，塑性區(qū)深度減小約1 m。在保證洞室長期穩(wěn)定及水力學條件相同的情況下，城門洞形斷面與馬蹄形斷面開挖面積相當，但需加大初期支護強度、襯砌厚度及配筋，工程投資增加約5%。

因此，從洞室圍巖穩(wěn)定、襯砌結構受力和工程量方面綜合比較，德羅引水隧洞采用馬蹄形斷面相對更優(yōu)，有利于保證隧洞長期穩(wěn)定，且經(jīng)濟效益更好。

3.馬蹄形斷面形式優(yōu)化

在選擇馬蹄形斷面作為引水隧洞推薦斷面基礎上，為創(chuàng)造更為有利的工程施工條件，對標準圓底馬蹄形斷面和平底馬蹄形斷面進行了比較，以進一步優(yōu)化隧洞斷面形式，馬蹄形斷面形式詳見圖2。兩斷面形式圍巖穩(wěn)定特征指標詳見表3。

圖1 各斷面計算模型

圖2 馬蹄形隧洞斷面形式

表2 不同斷面形式圍巖穩(wěn)定特征指標對比

根據(jù)洞室圍巖及襯砌結構受力分析成果，當采用平底馬蹄形洞形設計時，相比于圓底馬蹄形，圍巖變形稍有增加，增幅在0.1～0.4 mm；底板的塑性區(qū)深度增大0.1 m，達到3.3 m；底板部位的圍巖拉應力區(qū)稍有增加，但分布范圍較小；錨桿應力有所增大，增幅在3～7 MPa；襯砌應力變化較小，襯砌內(nèi)力較小，可根據(jù)構造要求配筋?？傮w而言，引水隧洞采用平底馬蹄形和圓底馬蹄形斷面時，圍巖穩(wěn)定性基本相當。

根據(jù)上述分析成果，在進行引水隧洞斷面形式選擇時，將圓底馬蹄形斷面優(yōu)化為平底馬蹄形斷面，一方面雖然隧洞圍巖穩(wěn)定性略有降低，但總體影響不大，洞室結構安全仍然能夠得到保證；另一方面可進一步改善隧洞的施工條件，便于洞室開挖成型以及襯砌結構澆筑，也有利于施工機械的布置和交通，對于距離較長的引水隧洞而言，可大大提高施工效率，保證施工工期。

綜合以上各種因素，推薦平底馬蹄形斷面作為德羅引水隧洞洞身段標準斷面。

四、隧洞支護設計

引水隧洞圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，隧洞標準段開挖斷面為馬蹄形，最大開挖寬度5.4 m，開挖高度5.0 m，根據(jù)實際地質(zhì)與埋深情況，分段對洞室圍巖進行設計。隧洞開挖初期主要采用柔性支護，適應圍巖變形，Ⅳ1類洞段采用系統(tǒng)噴錨作為先期支護，Ⅳ2、Ⅴ類圍巖段采用鋼拱架和系統(tǒng)噴錨作為先期支護，施工開挖后應及時封閉，做好排水及底部防護；局部褶皺及斷層破碎區(qū)，采用超前錨桿或小導管等進行預先支護，保證圍巖穩(wěn)定。出口由于巖石條件較差、開挖尺寸較大、頂部覆蓋厚度小，成洞困難，采用管棚施工法。隧洞施工完成后，采用鋼筋混凝土襯砌進行剛性支撐，以防止流變對洞室斷面、圍巖穩(wěn)定帶來的一系列問題。引水隧洞各洞段支護參數(shù)詳見表4所示。

表3 圓底馬蹄形和平底馬蹄形斷面圍巖穩(wěn)定特征指標對比

表4 德羅引水隧洞圍巖襯砌與支護參數(shù)

施工中應每隔50 m進行洞室變形及圍巖應力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整支護參數(shù)。

經(jīng)洞室穩(wěn)定數(shù)值計算分析，隧洞洞周塑性區(qū)深度為1.0～3.2 m，基本上處于錨固支護的長度范圍以內(nèi)；圍巖變形為4.8～17.4 mm；洞周圍巖應力量值和分布規(guī)律總體正常；錨桿應力15～142 MPa，洞室圍巖穩(wěn)定性能夠得到保證。

五、結 論

德羅電站引水隧洞距離長、埋深大，洞室圍巖基本為IV、V類軟巖，地應力水平相對較高，隧洞的斷面形式與支護方式選擇對過流能力、結構受力、施工條件及工程投資和工期控制影響較大，也是隧洞工程設計成敗的關鍵因素。

馬蹄形斷面過流能力和結構受力條件優(yōu)于城門洞形斷面，施工條件優(yōu)于圓形斷面，在保證洞室結構安全的前提下能確保施工便利，縮短施工工期。本文通過深入研究分析，將曲線馬蹄形斷面優(yōu)化為平底馬蹄形斷面，對洞室圍巖穩(wěn)定性影響有限，但可大大提升施工布置的便利性和效率，有利于進一步降低施工難度，保證施工工期。根據(jù)隧洞沿程圍巖條件，進行德羅隧洞平底馬蹄形斷面的支護設計，經(jīng)三維數(shù)值分析計算，洞室圍巖穩(wěn)定性能夠得到保證。在現(xiàn)場施工中，隧洞未出現(xiàn)局部失穩(wěn)或整體洞段垮塌現(xiàn)象，未出現(xiàn)錨桿被拉斷現(xiàn)象，因此得知德羅電站引水隧洞平底馬蹄形斷面的選擇和支護設計方式是合適的。

[1]張志強，關樹寶.軟弱圍巖隧道在高地應力條件下的變形規(guī)律研究[J].巖土工程學報，2000（6）.

[2]趙長海，周小兵，賀建國，等.極軟巖隧洞的設計與施工[J].巖石力學與工程學報，2006，25（增1）.

責任編輯 張金慧

Design of tunnel type and support for soft-rock diversion tunnel of Deluo Hydropower Station under high geostress condition

Chen Rui,Li Jiaona,Sun Haiqing,Li Kun

Due to the special features of long distance,deep buried tunnel with soft rock as surroundings and high geostress in diversion tunnel of Deluo Hydropower Station,the difficult parts of design including defining of types of tunnel sections and support patterns are discussed.Through comparative analysis of different types of sections,a horseshoe cross section is suggested in line with discharge capacity,load-carrying capability,construction condition,costs and construction schedule of the project.Supporting patterns for different sections are specified according to types of surrounding rocks.Based on three dimensional numerical calculation,the design is feasible for Deluo Hydropower Station that can be learned by other projects wishing to pursue these approaches.

Laluo;Deluo Hydropower Station;diversion tunnel;high geostress;soft rock;tunnel type

TV61

B

1000-1123（2016）20-0044-04

2016-10-18

陳銳，高級工程師。