輸水隧洞讓壓柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼拱架最優(yōu)間距研究

胡小勇,何春柳

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司二分局,成都,611800)

0 引言

隨著我國(guó)不斷加大在水利工程建設(shè)領(lǐng)域的投入,水利工程建設(shè)數(shù)量不斷增加的同時(shí),工程本身也不斷向地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)擴(kuò)展,給施工設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用提出了更高的要求。例如,我國(guó)為了解決水資源分布不均的問題,建設(shè)了許多長(zhǎng)距離引水工程,其中的輸水隧洞往往需要穿越地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)。在穿越裂隙破碎巖地段時(shí),輸水隧洞的圍巖往往面臨大變形破壞,而傳統(tǒng)的支護(hù)方式難以保證施工和運(yùn)行安全[1]。針對(duì)這一情況,部分工程采用了高強(qiáng)度噴射混凝土、密集鋼筋網(wǎng)及減小鋼拱架間距的剛性支護(hù)設(shè)計(jì),同時(shí)利用注漿錨桿提高圍巖的整體性,并取得了一定的工程效果,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖大變形的控制[2]。但是工程經(jīng)驗(yàn)也顯示,過小的鋼拱架間距不僅會(huì)大幅提高施工成本,還嚴(yán)重影響其他施工工序的正常開展,施工進(jìn)度大幅延后。因此,諸多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的研究,提出了一系列解決思路和工程措施。其中,采用鋼拱架上增設(shè)讓壓裝置的柔性支護(hù)措施就是比較有代表性的思路[3]。理論研究和工程實(shí)踐顯示,與剛性支護(hù)方式相比,采用讓壓裝置的柔性支護(hù)措施可以讓圍巖塑性區(qū)、鋼架應(yīng)力及圍巖應(yīng)力分布更為均勻,具有良好的工程效果和應(yīng)用價(jià)值。

鑒于柔性支護(hù)在大變形隧洞開挖支護(hù)領(lǐng)域的價(jià)值和優(yōu)勢(shì),學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了諸多理論和實(shí)踐層面的研究。從目前的研究情況來看,主要集中于讓壓裝置的設(shè)計(jì)、布置方式和布置位置的優(yōu)化[4]。顯然,在柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)中,讓壓裝置的設(shè)計(jì)和位置優(yōu)化固然重要,鋼拱架的間距也是重要的影響因素,間距過小不利于工程經(jīng)濟(jì)性和工期控制,間距過大不利于保證工程安全?；诖?針對(duì)柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼拱架最優(yōu)間距的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程背景

毗河工程某輸水隧洞S1+553～S2+104洞段圍巖以千枚巖化炭質(zhì)片巖為主,且裂隙、節(jié)理發(fā)育,巖體強(qiáng)度偏低,給開挖施工帶來較大的困難。在施工開挖到S1+613斷面時(shí)出現(xiàn)圍巖大變形。經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,其拱頂沉降和水平收斂最大值分別為505mm和843mm。由于圍巖變形較大,初支結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下出現(xiàn)了不同程度的破壞。因此,工程項(xiàng)目部擬采用基于讓壓裝置的柔性支護(hù)方式。結(jié)合工程中使用的鋼拱架的特點(diǎn),決定采用張傳慶等人聯(lián)合研發(fā)的新型恒阻讓壓裝置[5],在鋼拱架的左右拱肩和左右拱腰設(shè)置4個(gè)該型讓壓裝置。

2 鋼拱架間距影響的物理模型試驗(yàn)

2.1 相似比的確定

在物理模型試驗(yàn)中,必須要保證試驗(yàn)結(jié)果能夠有效反映原型工程的實(shí)際情況,因此模型的形狀、應(yīng)力、應(yīng)變和位移等均需要符合相應(yīng)的相似比[6]。

考慮工程本身的尺寸較大,模型試驗(yàn)箱的體積較小容易產(chǎn)生顯著的邊界效應(yīng),進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響,因此選擇大比尺試驗(yàn)箱進(jìn)行模型試驗(yàn)?？紤]到研究洞段的埋深24m～69m,其斷面的尺寸為4.5m×4.8m,因此將模型的幾何比尺設(shè)定為25∶1。綜合考慮邊界效應(yīng)和場(chǎng)地因素,模型的兩側(cè)和下部邊界均取3～5倍開挖洞徑,因此確定模型試驗(yàn)箱的尺寸為2.4m×2m×2m。

按照25∶1的幾何相似比以及1∶1的容重相似率,根據(jù)相似理論計(jì)算獲取其余物理量的相似比[7],限于篇幅這里不再敷述。

2.2 相似材料的選擇

工程中的圍巖主要為微風(fēng)化千枚巖化炭質(zhì)片巖,節(jié)理、裂隙較發(fā)育。因此,研究中黏土、砂礫石和水進(jìn)行模擬,結(jié)合地質(zhì)勘查資料和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),三者的配合比為3∶5∶2。

相關(guān)研究表明,以石膏混合料為代表的脆性材料對(duì)襯砌混凝土模擬效果較好。因此,試驗(yàn)中選擇石膏混合料模擬襯砌結(jié)構(gòu),水與石膏的配合比為3∶7,其彈性模量為1.12GPa左右。

對(duì)于鋼拱架和錨桿,考慮到材料本身需要接近彈性模量的相似比,因此研究中采用鋁制拱架模型模擬鋼拱架,利用細(xì)鋁絲模擬錨桿,其彈性模量為70GPa左右。

2.3 試驗(yàn)裝置

研究中的試驗(yàn)臺(tái)架主要由加載反力架、試驗(yàn)箱、加載控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。其中,試驗(yàn)箱尺寸為2.4m×2m×2m,由鋼化玻璃制作,其前后兩側(cè)需要預(yù)留隧道開挖輪廓。箱體中間利用鋼板隔開,以便兩側(cè)同時(shí)開展不同方案試驗(yàn),加快試驗(yàn)進(jìn)度。在試驗(yàn)箱的外側(cè)設(shè)有加固鋼板,保證試驗(yàn)箱在試驗(yàn)中的安全穩(wěn)固。為了模擬工程中上覆巖土體的重量,模型試驗(yàn)箱設(shè)置有安裝了測(cè)力計(jì)的加載反力架,可以為試驗(yàn)箱的巖土體上施加均勻的壓力。試驗(yàn)加載設(shè)備主要由控制平臺(tái)和兩個(gè)液壓千斤頂組成,其加載大小可以由配置的數(shù)顯設(shè)備讀取。試驗(yàn)臺(tái)階的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意

2.4 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中需要對(duì)不同鋼拱架間距方案下的鋼拱架和圍巖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。其中,鋼拱架的應(yīng)變使用應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)材料的彈性模量和材料力學(xué)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算?？紤]到鋼拱架受力和變形具有顯著的對(duì)稱性特點(diǎn),試驗(yàn)中在每環(huán)鋼拱架上的拱頂、左拱肩、左拱腳、左拱腳和拱底設(shè)置5個(gè)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)外側(cè)均粘貼1片應(yīng)變片。圍巖壓力利用土壓力盒測(cè)量,其布置位置和應(yīng)變片相同。隧洞變形測(cè)量采用全站儀+反光片的模式進(jìn)行,在測(cè)量斷面設(shè)置一組拱頂沉降測(cè)點(diǎn)和三組水平收斂變形測(cè)點(diǎn)。隧洞的圍巖位移測(cè)量采用多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量,以分析圍巖的變形規(guī)律。

2.5 試驗(yàn)方案

在采用基于讓壓裝置的柔性支護(hù)體系時(shí),鋼拱架的間距是其工程效果的重要影響因素。對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)不僅可以提高工程經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)還有助于充分發(fā)揮圍巖的承載力。結(jié)合相關(guān)研究成果和背景工程的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)多種不同的鋼拱架間距進(jìn)行試驗(yàn),具體的設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖變形

利用試驗(yàn)中獲得的圍巖變形數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)獲取不同試驗(yàn)方案下圍巖豎向位移、水平位移及總位移的最大值,結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出位移變形量變化曲線,結(jié)果如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在不同試驗(yàn)方案下圍巖的水平位移量相對(duì)較小,豎向位移變形相對(duì)較大。從不同性質(zhì)位移數(shù)據(jù)來看,隨著鋼拱架間距的增大,位移量最大值也呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點(diǎn)。由此可見,增加鋼拱架的間距會(huì)導(dǎo)致圍巖位移變形量的增加,但是變化的幅度較為有限。具體來看,當(dāng)鋼拱架間距由2cm增加到4cm時(shí),豎向位移、水平位移和總位移的最大值分別增加0.08mm、0.06mm和0.10mm,增加幅度分別為1.92%、2.83%和2.30%。另一方面,當(dāng)鋼拱架間距小于3.2cm時(shí)的圍巖位移變形量增加幅度較小,當(dāng)鋼拱架間距大于3.2cm時(shí)的圍巖變形量增加幅度較大。從具體數(shù)據(jù)來看,當(dāng)鋼拱架間距由2.0cm增加至3.2cm時(shí),豎向位移、水平位移和總位移最大值的增加幅度分別為0.47%、0.94%和0.69%?？傮w來看,由于讓壓裝置的設(shè)置和作用發(fā)揮,鋼拱架的間距對(duì)圍巖位移變形的影響不大,隨著鋼拱架間距的增大雖然導(dǎo)致圍巖變形量的增加,但是增加幅度較為有限。

表2 圍巖位移最大值

圖2 圍巖位移量變化曲線

3.2 鋼架應(yīng)力與塑性狀態(tài)

鋼拱架應(yīng)力離散程度是反映讓壓裝置作用效果的重要指標(biāo)。研究中根據(jù)鋼架內(nèi)側(cè)和外側(cè)應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案條件下鋼拱架內(nèi)側(cè)和外側(cè)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果如表3所示,其變化曲線如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著鋼拱架間距的減小,鋼拱架內(nèi)側(cè)和外側(cè)的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出先小幅減小后迅速增加的變化特點(diǎn)。當(dāng)鋼拱架間距為3.2cm時(shí)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差均最小,當(dāng)鋼拱架間距大于3.2cm時(shí),其應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差迅速增加。究其原因,主要是適當(dāng)增加鋼拱架的間距,可以增加鋼拱架的受力并充分發(fā)揮讓壓裝置的作用,從而提高其受力的均布性。當(dāng)鋼拱架間距達(dá)到3.2cm時(shí),讓壓裝置的讓壓量達(dá)到最大,導(dǎo)致讓壓裝置失效,因此鋼拱架應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)迅速增加。

表3 鋼拱架應(yīng)力離散程度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 鋼拱架應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線

為了進(jìn)一步了解鋼拱架塑性破壞情況,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)材料屬性,計(jì)算獲取鋼拱架塑性破壞范圍并獲得屈服體積占比,結(jié)果如圖4所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著鋼拱架間距的增大,鋼拱架屈服區(qū)占比呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點(diǎn),且增加的速率不斷加快。雖然更多的屈服比在一定程度上說明鋼拱架材料的利用更為充分,但是從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來看更容易導(dǎo)致鋼拱架的扭曲破壞。因此,當(dāng)鋼拱架的間距大于3.2cm時(shí),由于屈服區(qū)占比過大,支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性相對(duì)較低,不推薦在工程設(shè)計(jì)中使用。

圖4 鋼拱架屈服區(qū)占比

3.3 圍巖塑性區(qū)

試驗(yàn)結(jié)束之后,對(duì)模型試驗(yàn)斷面的塑性區(qū)進(jìn)行測(cè)量分析,計(jì)算獲取塑性區(qū)平均厚度和占比,結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,隨著鋼拱架間距的增大,圍巖塑性區(qū)的厚度和占比都呈現(xiàn)出不斷增加的變化特點(diǎn)。當(dāng)鋼拱架間距小于3.2m時(shí),塑性區(qū)厚度和占比的增加幅度有限,之后迅速增加。究其原因,可能是當(dāng)鋼拱架間距大于3.2cm時(shí),鋼拱架的讓壓裝置失效,因此再增加鋼拱架間距時(shí)會(huì)造成圍巖較大范圍的塑性變形,不利于工程施工的安全穩(wěn)定。

表4 圍巖塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果

3.4 安全系數(shù)

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取不同鋼拱架間距方案的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù),結(jié)果如圖5所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出,襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨著鋼拱架間距的增大而減小,且減小的速率不斷加快。具體來看,當(dāng)鋼拱架間距小于3.2cm時(shí),安全系數(shù)的減小幅度有限,當(dāng)鋼拱架間距大于3.2cm時(shí),安全系數(shù)的下降幅度較大。

圖5 安全系數(shù)變化曲線

4 結(jié)語

對(duì)于深埋軟巖輸水隧洞開挖施工而言,采取柔性支護(hù)措施具有重要的工程意義和價(jià)值。當(dāng)然,要充分發(fā)揮讓壓裝置的功能,不僅需要對(duì)讓壓裝置的設(shè)計(jì)和位置進(jìn)行優(yōu)化,還需要選擇合適的鋼拱架間距,以保證讓壓裝置充分發(fā)揮作用的同時(shí)不至失效。此次研究以毗河工程為背景,利用物理模型試驗(yàn)的方式探討了鋼拱架間距對(duì)圍巖變形、鋼拱架應(yīng)力和塑性特征、圍巖塑性區(qū)及襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響。從試驗(yàn)結(jié)果來看,當(dāng)鋼拱架間距試驗(yàn)值為3.2cm時(shí),也就是實(shí)際工程中為0.8m時(shí)的工程效果最佳,可以充分發(fā)揮讓壓裝置的讓壓作用,同時(shí)又不至失效。該設(shè)計(jì)方案與剛性支護(hù)措施中0.5m的鋼拱架間距相比,可以節(jié)省鋼材60%左右,具有良好的經(jīng)濟(jì)意義。當(dāng)然,柔性支護(hù)是一個(gè)整體系統(tǒng),在今后的研究中還應(yīng)該針對(duì)系統(tǒng)的其他影響因素進(jìn)行研究分析,以獲得更為全面和科學(xué)的結(jié)論。