輸水隧洞石膏巖不良地質(zhì)段支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王凱博

(博爾塔拉蒙古自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 博樂 833400)

1 工程背景

西北某引水工程年引水量2.9億m3，設(shè)計(jì)輸水流量10.91m3/s，項(xiàng)目區(qū)屬于典型的侵蝕- 剝蝕中低山地貌，受到強(qiáng)風(fēng)化作用的影響，輸水隧洞沿線的沖溝發(fā)育，地形比較破碎。根據(jù)地表物探結(jié)果顯示，存在長(zhǎng)度不等的石膏段圍巖分布，其中，K105+582～K105+907段石膏巖分布長(zhǎng)度為325m，腐蝕等級(jí)為D級(jí)。鑒于熟石膏在水化重結(jié)晶過程中存在膨脹性，會(huì)對(duì)施工過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)造成危害，因此，通過石膏巖層的洞段應(yīng)該使用抗硫酸鹽水泥，并進(jìn)行必要的抗溶和抗腐蝕處理。

2 研究段支護(hù)襯砌優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 石膏巖試驗(yàn)分析

輸水隧洞在施工過程中，在K105+582～K105+907段掌子面遭遇石膏巖地層。鑒于該地層具有中～強(qiáng)膨脹性，同時(shí)硫酸根離子也會(huì)對(duì)混凝土和鋼筋造成一定的腐蝕，因此，相關(guān)的設(shè)計(jì)和施工單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提取的巖層樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該地段的石膏巖雖然屬于膨脹巖，但是相對(duì)于其他種類的膨脹巖圍巖膨脹速率十分緩慢，完全膨脹需要幾年的實(shí)踐，并且最終膨脹變形約24～26cm，軟化變形約10cm左右，因此需要二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)約0.75MPa的膨脹壓力。另一方面，腐蝕試驗(yàn)結(jié)果也說明研究段的石膏巖對(duì)混凝土具有強(qiáng)腐蝕性。

2.2 支護(hù)襯砌優(yōu)化方案

綜合分析地質(zhì)勘查結(jié)果以及石膏巖的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)成果，需要在原有的支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整，保證支護(hù)襯砌效果?；谏鲜龇治?，提出如下設(shè)計(jì)原則：加強(qiáng)輸水隧洞圍巖的超前支護(hù)、初支和二次襯砌，加深仰拱；采用高標(biāo)號(hào)噴射混凝土與二次襯砌，提高混凝土的防腐蝕性等級(jí)到P8，進(jìn)一步加強(qiáng)隧道的排水工程措施。

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，提出如下具體處置對(duì)策：①在研究洞段開挖施工過程中要加強(qiáng)對(duì)圍巖變形的監(jiān)測(cè)工作。②要將預(yù)留變形量增加到40cm，其中包括厚度為20cm的變形緩沖層，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際膨脹變化情況進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。③利用Φ42小導(dǎo)管與R76自進(jìn)式錨桿加強(qiáng)輸水隧洞的超前支護(hù)。④進(jìn)一步加強(qiáng)初期支護(hù)，利用I20b工字鋼密排的方式進(jìn)行研究段圍巖的封閉支護(hù)，全周布置Φ25錨桿中空注漿，錨桿長(zhǎng)度暫定為4.0m。⑤對(duì)輸水隧洞的仰拱進(jìn)行加深，以提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載力。⑥將二襯結(jié)構(gòu)的厚度增加至70cm，以提高二襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)確定二襯的最佳時(shí)機(jī)。研究段支護(hù)襯砌主要參數(shù)見表1。

表1 研究段支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案施工要求

(1)在施工過程中，一旦掌子面開挖完畢要及時(shí)進(jìn)行錨桿和噴射混凝土初期支護(hù)，避免圍巖長(zhǎng)時(shí)間懸空誘發(fā)大變形，同時(shí)也可以防止圍巖與空氣長(zhǎng)時(shí)間接觸導(dǎo)致石膏巖的風(fēng)化和軟化。

(2)在施工過程中要實(shí)時(shí)監(jiān)控圍巖變形并進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，以確定最佳二襯時(shí)機(jī)，一般掌握在圍巖變形穩(wěn)定在每日0.2mm時(shí)為宜。如果二襯時(shí)機(jī)過早，未完全釋放的圍巖應(yīng)力將對(duì)二襯結(jié)構(gòu)造成擠壓變形，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至坍塌。

(3)施工過程中應(yīng)該盡量減小對(duì)圍巖的干擾，在采取無爆破開挖的同時(shí)，盡早封閉仰拱。

(4)鑒于石膏巖對(duì)水的敏感性，對(duì)部分含水段開挖過程中應(yīng)該加強(qiáng)排水工作，最大限度降低圍巖變形和底部隆起，對(duì)于發(fā)生的底部隆起可以采取加固注漿。

3 支護(hù)產(chǎn)期優(yōu)化方案安全性分析

3.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

張黎明等學(xué)者針對(duì)摩爾-庫(kù)倫材料進(jìn)行研究，確定了求解安全系數(shù)的方法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

式中，F(xiàn)tr—圍巖安全系數(shù)；τ—破壞面上的實(shí)際滑動(dòng)力；s—滑裂面上的抗剪強(qiáng)度；c—巖體粘聚力；φ—內(nèi)摩擦角；σ—結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力。

有限元強(qiáng)度折減法不僅可以模擬巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用，也可以對(duì)圍巖巖體變形的逐步發(fā)展進(jìn)行模擬，同時(shí)在進(jìn)行安全系數(shù)的求解時(shí)并不需要對(duì)圍巖滑動(dòng)面的形狀進(jìn)行事先假定和條件劃分，與傳統(tǒng)的安全系數(shù)求法相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于圍巖的穩(wěn)定性存在較多的影響因素，因此在判別標(biāo)準(zhǔn)方面也尚未形成統(tǒng)一的意見。本次研究中結(jié)合輸水隧洞研究段的具體情況，認(rèn)為地下廠房達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)將會(huì)發(fā)生位移突變，從而使能夠正常收斂的計(jì)算過程不再具有收斂性。因此，在安全系數(shù)計(jì)算過程中不斷降低巖體的強(qiáng)度指標(biāo)，利用折減后的參數(shù)代替原參數(shù)計(jì)算圍巖的穩(wěn)定性，通過反復(fù)折減操作，直至圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時(shí)利用公式(1)獲得的安全系數(shù)即為地下洞室結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。針對(duì)本次研究對(duì)象長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此可以利用平面應(yīng)變單元進(jìn)行分析，并建立研究段地質(zhì)概化模型，對(duì)輸水隧洞開挖和支護(hù)過程進(jìn)行模擬，整個(gè)模型共劃分為27940個(gè)計(jì)算單元，34938個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。研究段原始計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 研究段原始計(jì)算模型圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合該工程研究洞段相關(guān)地質(zhì)資料和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成果，計(jì)算過程中涉及的圍巖和支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

輸水隧洞研究洞段圍巖初期支護(hù)需要承擔(dān)40%的圍巖壓力，利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型對(duì)圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，直至不再收斂為止。

表2 圍巖和支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

此時(shí)，圍巖的安全系數(shù)為1.71，模擬結(jié)果如圖2所示。因此，研究段初期支護(hù)完成后的圍巖安全系數(shù)為1.71，大于施工設(shè)計(jì)中1.30的圍巖安全系數(shù)要求，說明初支設(shè)計(jì)滿足圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。利用數(shù)值計(jì)算模型對(duì)二次襯砌后的圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，直至不再收斂為止，此時(shí)的圍巖安全系數(shù)為1.82，模擬結(jié)果如圖3所示。因此，研究段初期支護(hù)完成后的圍巖安全系數(shù)為1.82，大于施工設(shè)計(jì)中1.30的圍巖安全系數(shù)要求，說明二次襯砌設(shè)計(jì)滿足圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 初支等效應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

圖3 二襯等效應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

由于自然地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，輸水隧洞等水庫(kù)工程選線過程中難以避免特殊地質(zhì)段。因此，針對(duì)特殊地質(zhì)段的圍巖特點(diǎn)，對(duì)原工程施工設(shè)計(jì)方法進(jìn)行變更和優(yōu)化是十分必要的。文章以某引水工程石膏巖施工段為例，對(duì)開挖施工過程中的支護(hù)襯砌原方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行優(yōu)化方案的安全性分析，主要獲得如下結(jié)論：

(1)綜合分析研究洞段地質(zhì)勘查和石膏巖的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)原有的支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下的研究洞段初期支護(hù)和二次襯砌后的圍巖安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下的圍巖安全系數(shù)完全滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)研究洞段開挖施工的適宜性。