輸水隧洞支護施工及圍巖穩(wěn)定性分析

任志強

(江西省水利水電建設集團有限公司，南昌 330000)

1 工程概況

某地區(qū)集中供水工程第2水源工程從分水江流域取水，通過輸水隧洞將水引至W水庫，為下游原水輸水工程提供優(yōu)質(zhì)飲用水，本供水工程為I等工程。工程包括進水口、水庫輸水建筑物、分水口、閑林出口流量控制及調(diào)壓設施、水庫取水口等建筑物。輸水隧洞-W水庫段輸水線路長約111.6km，其中某標輸水隧洞混凝土襯砌段長約102.39km，淺埋隧洞鋼襯段(不含跨江鋼襯段)長約4.02km，線路跨分水江穿江隧洞段長約2.56km，跨倒虹吸管長約0.83km，輸水線路過小溪流處埋管段長約1.80km。隧洞沿線出露地層主要為古生界和中生界，并分布有自震旦系至白堊系地層，并以陸相及海相的沉積巖、火山碎屑巖為主。地質(zhì)勘查結果表明，該輸水工程跨越數(shù)個地貌構造單元，項目區(qū)內(nèi)褶皺構造與斷裂構造均發(fā)育，與工程施工直接相關的是由20余個單體向背斜組成華埠-新登復向斜，且均屬于長軸至準線狀褶皺。

該標隧洞上覆山體厚度在100-300m之間，圍巖巖性以長石石英巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖、含礫石英砂巖為主，夾不穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等薄層。圍巖類別為Ⅱ-Ⅲ類，基本穩(wěn)定，但局部穩(wěn)定性差；部分洞段斷裂構造發(fā)育，圍巖強度不足，Ⅳ類圍巖較多，不穩(wěn)定，掉塊及坍塌發(fā)生的可能性較大，必須加強施工支護，確保施工安全。

2 輸水隧洞支護施工方案變更

2.1 支護方案變更

按照原設計，該供水工程水源工程隧洞Ⅳ類圍巖初期支護采用錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土形式，考慮到隧洞圍巖幾乎全部為Ⅳ類圍巖且斷層破碎帶發(fā)育，為提升圍巖穩(wěn)定性，將原設計初支方案變更為鎖腳錨桿+系統(tǒng)砂漿錨桿鋼筋網(wǎng)+混凝土噴射的聯(lián)合支護形式；Ⅲ類圍巖初支方案不作變更。Ⅳ類偏好圍巖鎖腳錨桿長300cm，D25自進式中空錨桿直徑25mm、長5m且隨機布置；系統(tǒng)砂漿錨桿直徑25mm，長度分4.5m和2.5m兩種，長短間隔按照梅花形布置，間排距1.0m；中空注漿錨桿直徑25mm，長度有4.5m和2.5m兩種，長短間隔并按梅花形布置，間排距1.0m；掛Ф8mm@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)；噴涂厚度20cm的C25混凝土；I20a鋼拱架支撐按1.0m間距布置；C30W8F50鋼筋混凝土襯砌厚度45cm。Ⅳ類偏差圍巖自進式中空錨桿設計長度5m，間距0.4m，排距3m；系統(tǒng)砂漿錨桿直徑25mm，長度為4.5m和2.5m，長短間隔并按照梅花形布置，間排距1.0m；中空注漿錨桿直徑25mm，長度分4.5m和2.5m兩種，長短間隔按照梅花形布置，間排距1.0m；掛Ф8@15cm×15cm規(guī)格的鋼筋網(wǎng)；噴厚度20cm的C25混凝土；I20a鋼拱架支撐間距1.0m；C30W8F50鋼筋混凝土襯砌厚度45cm。

結合該輸水隧洞地質(zhì)勘探資料，隧洞圍巖基本為Ⅳ類圍巖，且存在斷層破碎帶，穩(wěn)定性不良，為此，初支方案變更設計主要劃分為Ⅳ類圍巖段和斷層破碎帶。結合地勘報告并參照原施工圖隧洞斷面圖不同圍巖樁號的劃分，將該輸水隧洞圍巖類別根據(jù)樁號進行進一步細分。標段1：K0+006-K0+095段為斷層破碎帶，長度89m；K0+096-K0+578段為Ⅳ類圍巖段，長482m。標段2：K8+420-K8+485段為為斷層破碎帶，長65m；K8+486-K8+541段為Ⅲ類圍巖段，長55m；K8+542-K8+638段為Ⅳ類圍巖段，長96m；K8+639-K8+697.3段為斷層破碎帶，長58.3m。結合以上地質(zhì)情況，該輸水隧洞Ⅳ類圍巖段初支方案從錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護，以使初支荷載能力顯著增強。支護方案變更后所增設的鋼拱架總裝結構具體見圖1。

圖1 增設的鋼拱架總裝結構圖

2.2 計算模型

利用Midas GTS巖土和隧道結構設計有限元分析軟件構建不考慮系統(tǒng)錨桿作用的圍巖彈性支撐模型，荷載計算結果表明，圍巖結構自重25kN/m3，按照深埋荷載所計算出的全部荷載值86kPa作為垂直荷載加載，水平荷載取30kPa[1]。圍巖初期支護根據(jù)所承擔的全部荷載計算，跨拱部中位最大彎矩25.2kN·m，以每延米所對應參數(shù)為初期支護參數(shù)，即每延米初期支護結構所承擔的彎矩最大值為25.2kN·m。為使分析過程簡化，初期支護結構承載力按照純彎構件計算[2]。根據(jù)設計，初支斷面20cm，采用尺寸20cm×20cm的Φ8mm單層鋼筋網(wǎng)配合C20混凝土，100cm鋼拱架及14工字鋼，簡化為高20cm、寬100cm的型鋼混凝土斷面，并在斷面內(nèi)配置一榀14工字鋼。忽略型鋼混凝土截面內(nèi)鋼筋網(wǎng)及混凝土的影響，僅考慮14工字鋼的作用，進行工字鋼承載能力驗算。根據(jù)驗算結果，工字鋼所承擔的彎矩為25.2kN·m/榀，拉壓應力最大值為247MPa，比鋼材應力允許值300MPa小?？紤]到該輸水隧洞圍巖特征即斷層破碎帶分布情況，出于工程安全方面的考慮，14工字鋼鋼拱架應當按照75cm間距設置。

3 隧洞斷面形狀變更

3.1 變更思路

隧洞軸線采用原設計方案，隧洞橫斷面形狀則從原圓形斷面變更為馬蹄形斷面。該輸水隧洞主要依據(jù)新奧法原理采用復合襯砌形式，借助初期支護快速支護功能達到控制圍巖變形、提升圍巖結構承載能力的目的[3]。Ⅳ類圍巖段的二襯施工緊跟初支進行，以便分擔大部分圍巖荷載。然而該輸水隧洞二襯結構后內(nèi)凈寬為直徑2.0m的圓形斷面，若緊跟初支實施二襯施工，則隧洞內(nèi)無法展開機械化操作。為此，在確保隧洞過流斷面和原設計一致且隧洞結構經(jīng)濟安全、斷面結構施工可行的基礎上，將隧洞斷面形狀從圓形變更為馬蹄形。

該供水工程等級為I等，包括事故檢修閘、控制閘、調(diào)壓井、分水口、出口流量控制等在內(nèi)的輸水隧洞主要建筑物均額1級建筑物設計，防洪標準為30a一遇設計、50a一遇校核，隧洞斷面形式變更后以上設計標準均不變。

Ⅳ類圍巖二襯按照4m覆土厚度進行強度校核，并應適當簡化Ⅳ類圍巖二襯結構，采用梁系單元進行有限元分析。簡化后的模型具體見圖2。根據(jù)分析，該輸水隧洞最不利受力位置在仰拱中心，彎矩24.75kN·m，設計襯砌厚度為30cm，雙側均按照0.6%的最小配筋率配Φ16mm@20cm主筋，對應的承載力為61.54kN·m，符合承載力要求。

圖2 簡化后的模型圖

3.2 隧洞水力計算

該輸水隧洞粗糙系數(shù)的計算與輸水管道粗糙系數(shù)計算相同，對于非圓形截面管道，當量直徑：

de=4A/x

(1)

式中：A為有效截面積，m2，x為濕周。

沿程阻力損失：

hf=λlv2/de2g

(2)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為輸水隧洞管段長度，m；v為斷面流速均值，m/s；g為重力加速度，m/s2。

調(diào)整后的馬蹄形隧洞當量直徑取2.0m，與圓直徑2.0m的圓形隧洞當量直徑一致，原圓形隧洞水力損失0.63m，而隧洞橫斷面形狀變更為馬蹄形隧洞形式后隧洞水力損失降至0.59m，可見，隧洞橫斷面形狀變更后并不影響隧洞功能；應用帶鋼拱架錨桿鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護技術能使圍巖結構強度顯著提升，應力水平改善，屈服面積縮減，圍巖結構穩(wěn)定性大大提升。

4 結 論

該供水工程輸水隧洞變更后的鎖腳錨桿+系統(tǒng)砂漿錨桿鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護形式是當前水工隧洞中較為常見的柔性支護技術，其能將原被動型的支護結構轉(zhuǎn)化為主動性支護，且支護結構將會與所支護圍巖形成整體，共同承力。該輸水隧洞所采用的聯(lián)合支護結構與圍巖間的接觸面積大，并能改善圍巖負荷分布以及支護結構與圍巖的作用效；雖然初期臨時支護后圍巖仍會表現(xiàn)出一定的變形，但這種支護變形將轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ塘蛧鷰r承載力，起到避免松動并最大程度發(fā)揮圍巖塑性區(qū)承載作用的目的。