某水電站引水隧洞不良地質(zhì)洞段初期支護(hù)措施研究

靳俊杰

摘要：某水電站為深埋、長(zhǎng)有壓隧洞引水式電站，前期勘探地下水位較高，隧洞將穿越一規(guī)模較大斷層，隧洞施工過(guò)程中可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，為保證施工安全，對(duì)此研究了該不良地質(zhì)洞段隧洞初期支護(hù)措施，得出了針對(duì)該洞段的初期支護(hù)參數(shù)。該不良地質(zhì)條件洞段的初期支護(hù)措施及研究思路可供其他工程參考。

關(guān)鍵詞：地下水；不良地質(zhì)條件隧洞；初期支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.06.100

1概況

某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)位于右岸，隧洞開(kāi)挖為馬蹄形斷面，開(kāi)挖尺寸為6.4m×7.8m。隧洞沿線山體雄厚，岸坡高陡，沖溝發(fā)育。前期勘探顯示，在距進(jìn)口500m位置發(fā)育有一規(guī)模較大斷層，斷層帶寬度約15m，該段隧洞埋深約250m，洞頂以上地下水120m，隧洞走向與斷層交角78°，斷層充填物主要為糜棱巖，膠結(jié)差，遇水軟化，強(qiáng)度較低。

因隧洞開(kāi)挖不可躲過(guò)該斷層，現(xiàn)對(duì)引水隧洞在該洞段內(nèi)的支護(hù)方式進(jìn)行理論計(jì)算分析，明確初期支護(hù)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保安全穿越該斷層。

引水隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，斷層按V類(lèi)圍巖考慮，影響帶按IV類(lèi)圍巖，周邊巖體為III類(lèi)。

基本穩(wěn)定地下水特征：該斷層洞段地下水位高于洞頂約120m，考慮到施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的涌水，初期支護(hù)分析中暫按0.6倍折減系數(shù)下的外水壓力對(duì)初期支護(hù)措施進(jìn)行分析。

2引水洞穩(wěn)定支護(hù)方案

針對(duì)該洞段區(qū)域巖性較差、施工期地下水位較高，在不支護(hù)的條件下成洞較難，為確保安全通過(guò)該斷層洞段，擬采用二次支護(hù)方式：開(kāi)挖階段主要采用管棚、超前灌漿、鋼拱架及噴錨混凝土等方式進(jìn)行支護(hù)；通過(guò)二次支護(hù)（混凝土襯砌）達(dá)到在高地下水位條件下運(yùn)行期檢修及高內(nèi)水壓力下隧洞穩(wěn)定的目的。本文著重研究隧洞開(kāi)挖期間的支護(hù)問(wèn)題，即初期支護(hù)措施論證。

3初期支護(hù)參數(shù)研究

結(jié)合隧洞設(shè)計(jì)軸線與地質(zhì)斷層走向的關(guān)系，根據(jù)引水隧洞的設(shè)計(jì)成果和不良地質(zhì)洞段的地質(zhì)報(bào)告分析成果，建立三維有限元模型模擬隧洞開(kāi)挖過(guò)程中各元素的受力情況，對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定狀況進(jìn)行分析。三維有限元模型模擬措施如下：

巖石裂隙、斷層及圍巖與襯砌的聯(lián)結(jié)采用CONTACT單元模擬；巖石、噴層與混凝土襯砌采用3D-SOLID單元模擬；管棚、鋼支撐采用BEAM單元模擬；通過(guò)單元BIRTH-DEATH模擬開(kāi)挖、支護(hù)工序?qū)崿F(xiàn)，并采用單元?jiǎng)偠日蹨p系數(shù)（剛度因子0～1）控制圍巖釋放荷載的分配情況（考慮圍巖自穩(wěn)能力，實(shí)際計(jì)算中按應(yīng)力釋放75%、圍巖承擔(dān)25%考慮）。隧洞開(kāi)挖采用全斷面開(kāi)挖方式一次成型。

模擬材料：采用摩爾-庫(kù)侖材料模型模擬巖石，采用線彈性材料模擬一期噴砼及二期砼襯砌，斷層帶上、下盤(pán)接觸面以及一期支護(hù)與圍巖間采取接觸（接觸面摩擦系數(shù)0.55）方式處理。有限元模型如圖1。

考慮計(jì)算段長(zhǎng)度，管棚法施工中管棚沿洞軸線方向長(zhǎng)度12m，搭接長(zhǎng)度3m計(jì)算，管棚鋼管中心距30cm，采用108mm鋼管（壁厚6mm）施工管棚；鋼支撐采用工16號(hào)型鋼，剛支撐間距50cm；C15噴錨混凝土厚度為40cm。

施工工序?yàn)椋簬r石超前固結(jié)灌漿12m——管棚施工——開(kāi)挖（進(jìn)尺1m）——架設(shè)鋼支撐——噴砼支護(hù)——下循環(huán)開(kāi)挖，重復(fù)上述步驟直至完成一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖（9m）。一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖完成后應(yīng)立即進(jìn)行混凝土襯砌，襯砌完成后進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，在不施工初期支護(hù)的情況下圍巖無(wú)法維持穩(wěn)定，即圍巖強(qiáng)度不足以支撐開(kāi)挖后的卸荷應(yīng)力釋放，隧洞將坍塌。通過(guò)工程手段進(jìn)行初期支護(hù)可以增加圍巖的應(yīng)力承受能力，增加圍巖的穩(wěn)定性，從而在開(kāi)挖過(guò)程中保證施工的安全。

經(jīng)過(guò)有限元模型的反復(fù)分析計(jì)算，最終確定的該隧洞段的圍巖初期支護(hù)參數(shù)如下：

（1）鋼支撐：16#工字鋼，間距50cm；

（2）噴砼，C15，厚度為40cm；

（3）管棚：外徑120mm，壁厚8mm，鋼管中心距30cm，內(nèi)填充鋼筋混凝土；

（4）圍巖固灌：灌漿后的圍巖強(qiáng)度由V類(lèi)圍巖提高至IV類(lèi)圍巖的下線標(biāo)準(zhǔn)，灌漿范圍為開(kāi)挖線以外2m，即內(nèi)摩擦角ψ26°，變形模量E02GPa，黏聚力c03MPa。

初期支護(hù)按照上述參數(shù)進(jìn)行施工可以滿足圍巖穩(wěn)定要求，安全順利開(kāi)挖。經(jīng)過(guò)分析，開(kāi)挖過(guò)程中最大圍巖塑性區(qū)如圖2。

鋼管應(yīng)力允許值（Q235B，130.5MPa），大于開(kāi)挖過(guò)程中管棚最大剪力（如圖3），最大彎矩（如圖4），最大應(yīng)力為94.2MPa。應(yīng)力允許值大于實(shí)際最大應(yīng)力，支護(hù)措施滿足強(qiáng)度穩(wěn)定安全要求。

開(kāi)挖過(guò)程中鋼支撐彎矩（如圖5），鋼支撐軸力（如圖6），鋼支撐斷面最大應(yīng)力為98.1MPa。應(yīng)力允許值130.5MPa>98.1MPa，滿足強(qiáng)度穩(wěn)定安全要求。

噴砼最大拉應(yīng)力0.26MPa，低于C15砼抗拉強(qiáng)度，滿足材料強(qiáng)度安全要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，從初期支護(hù)材料應(yīng)力或是圍巖塑性區(qū)范圍判斷，在擬定的支護(hù)方案下，隧洞可滿足成洞要求，驗(yàn)證了初期支護(hù)方案及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)合理性及可行性。

4結(jié)語(yǔ)

筆者針對(duì)某水電工程引水隧洞穿越斷層部位洞段的初期支護(hù)措施研究，得出了滿足成洞條件下的初期支護(hù)參數(shù)，可供工程設(shè)計(jì)參考，同時(shí)該研究過(guò)程及思路可供其他類(lèi)似工程參考、借鑒。

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