緬甸巴魯昌3號水電站引水隧洞噴錨支護設(shè)計

張文濤

地下工程噴錨支護的設(shè)計方法很多，特別是近30年來，有限元在模擬地下工程噴錨支護計算中應(yīng)用越來越廣泛，它能模擬圍巖彈塑性、粘彈塑性及巖石層狀和節(jié)理裂隙等力學(xué)特征，因而成

為分析地下工程的強有力手段。但是，由于巖體本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜、力學(xué)參數(shù)和邊界條件很難準(zhǔn)確確定，因此有限元計算受人為因素影響也比較大，結(jié)果帶有一定的隨機性。其他各種模擬方法也都有一定的適用性和局限性。所以，現(xiàn)在國內(nèi)外大多數(shù)地下工程的噴錨支護設(shè)計仍以工程類比法為主。同時，對于開挖直徑(寬度)小于10 m的隧洞，亦常采用彈性理論或彈塑性理論對工程類比結(jié)果進行復(fù)核計算，在施工過程中加強現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)實際情況調(diào)整支護參數(shù)，以確保隧洞支護方式安全、經(jīng)濟、合理。

1 工程類比法與理念計算法

1.1 工程類比法

工程類比法是建立在研究大量工程的實踐經(jīng)驗、統(tǒng)計數(shù)字和觀測成果基礎(chǔ)上的，結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎(chǔ)上進行新的工程設(shè)計。工程類比法通常分直接法和間接類比法兩種。直接法一般根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、洞室埋深、工程的形狀與尺寸及施工條件等，將設(shè)計工程與上述條件基本相同的已建工程進行對比，由此確定支護類型及參數(shù)。間接法一般是根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，按照圍巖分類結(jié)果確定各種參數(shù)。工程類比法的設(shè)計原則是:1)以已建工程的經(jīng)驗和實踐為依據(jù)，進行綜合分析比較，要搞清所設(shè)計工程的基本條件，不能生搬硬套;2)分清圍巖破壞是屬于整體穩(wěn)定性問題還是局部穩(wěn)定性問題;3)最終確定的支護參數(shù)還要接受監(jiān)控設(shè)計的指導(dǎo)，必要時應(yīng)進行修正。

1.2 理論計算法

理論計算法由來已久，對于洞室圍巖穩(wěn)定分析研究，20世紀(jì)50年代前，主要采用彈性和彈塑性理論分析計算圍巖壓力、變形及穩(wěn)定性。自50年代以來，人們已認(rèn)識到巖體的流變現(xiàn)象，于是又將流變理論引入到巖體力學(xué)，至70年代，巖體流變特性及巖體流變地壓的研究已非常活躍。80年代以來，彈塑性和流變分析仍是主流。同時損傷、斷裂、擴容及膨脹耦合作用等圍巖力學(xué)模型已成為研究的熱點。在工程實踐中，當(dāng)隧洞跨度及高度小于10 m時，通常采用彈性和彈塑性平衡理論對圍巖變形及穩(wěn)定進行分析。

彈塑性平衡理論主要有Fenner公式、Caquot公式、Kerisdl公式等，其計算理論均有假定條件及適用條件。當(dāng)采用彈塑性平衡理論分析計算時，F(xiàn)enner公式假定支護結(jié)構(gòu)與圍巖發(fā)生共同變形，通過計算塑性圈內(nèi)的徑向應(yīng)力或徑向位移量來確定圍巖壓力。使用Fenner公式困難在于塑性圈的半徑不易確定，因為塑性圈的擴展范圍是隨著時間而變化的，而且塑性圈的形狀并不總是規(guī)則的圓環(huán)。通常對于側(cè)壓力系數(shù)λ=1的隧洞，圍巖壓力計算結(jié)果接近實際情況。對于側(cè)壓力系數(shù)λ≠1的隧洞，圍巖壓力只能采用近似方法計算，所得結(jié)果與實際情況會有一定出入。

2 工程概況

2.1 工程簡介

巴魯昌3號電站(BLC3)位于緬甸國克耶邦境內(nèi)，距其首府壘固的東南方向約25 km。BLC3為巴魯昌河梯級開發(fā)的第三個電站項目，位于巴魯昌河下游河段，工程任務(wù)以發(fā)電為主，電站裝機容量2×26 MW，發(fā)電量334 GWh/年。

引水隧洞工程位于巴魯昌河下游地區(qū)的右岸，上游端緊靠并連接著現(xiàn)有的巴魯昌2號發(fā)電站(BLC2)尾水渠區(qū)域的下游，引水隧洞后接前池，前池由壓力鋼管直接接廠房。進水口底板高程確定為334.802 m，設(shè)計引用流量為39.5 m3/s，過水?dāng)嗝娣e14.65 m2，出口洞底高程331.044 m，隧洞總長4 321 m，最大埋深約220 m。隧洞斷面形式為馬蹄形(R2=2R1)，襯砌后斷面尺寸為R2×R1=4.9 m ×2.45 m。

2.2 引水隧洞地質(zhì)條件

隧洞沿線巖性為石灰?guī)r和千枚巖。石灰?guī)r的構(gòu)成屬于古生代三疊紀(jì)撣邦地區(qū)白云石群。千枚巖是屬于前寒武紀(jì)且分布在石灰?guī)r以下，大部分分布不一致。發(fā)電引水隧洞全線穿越上述兩種巖層，比例各為一半。引水隧洞逐段斷面比例中Ⅰ，Ⅱ類圍巖斷面約占隧洞長度10%，Ⅲ類的圍巖斷面約占隧洞長的30%;Ⅳ類的圍巖斷面約占隧洞長的40%;Ⅴ類的圍巖斷面約占隧洞長的20%，總計100%。

地下水位在洞線以下，對成洞條件無影響。

表1 引水隧洞圍巖分類及地質(zhì)參數(shù)

2.3 圍巖分類

根據(jù)水利水電工程圍巖分類法、Q系統(tǒng)分類法對巴魯昌3號水電站引水隧洞圍巖進行了分類，參照DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計規(guī)范，初步確定錨噴支護類型及其參數(shù)表見表1。

3 工程類比法應(yīng)用

本工程主要以工程類比間接法進行設(shè)計，主要依據(jù)DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計規(guī)范、GB 50086-2001錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范、SL 377-2007水電地下工程錨噴支護施工技術(shù)規(guī)范等相關(guān)規(guī)范及國外經(jīng)常使用的Q系統(tǒng)法，對本工程隧洞圍巖進行細(xì)分，并以此為依據(jù)，初步選擇噴錨支護參數(shù)見表2。

表2 引水隧洞噴錨支護參數(shù)表

4 理論計算法復(fù)核計算

隧道圍巖是否穩(wěn)定決定于圍巖應(yīng)力重分布后的大小，包括環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力;其中環(huán)向應(yīng)力是控制隧道破壞的主導(dǎo)因素。Ⅰ，Ⅱ類圍巖穩(wěn)定，噴薄層混凝土僅為防止進一步風(fēng)化，Ⅲ類～Ⅴ類圍巖需采取結(jié)構(gòu)措施進行支護，現(xiàn)根據(jù)表2中初步選用的支護參數(shù)，分析計算Ⅲ類～Ⅴ類圍巖的噴錨支護穩(wěn)定性，主要計算成果見表3。

表3 隧洞圍巖噴錨支護理論計算成果表

從表3計算結(jié)果可以得出，上述圍巖在按照表2確定的支護參數(shù)支護后，圍巖穩(wěn)定性好。

隧道初期噴錨支護屬柔性支護，合理的支護設(shè)計，應(yīng)該是支護結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻力能夠允許圍巖產(chǎn)生一定的塑性變形，又能夠控制圍巖的塑性變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承作用。其中隧道位移計算結(jié)果，亦可作為監(jiān)測工作的依據(jù)之一，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整支護參數(shù)，以達(dá)到最佳支護參數(shù)，確保隧洞支護方式安全、經(jīng)濟、合理。表2中的支護參數(shù)在理論上可根據(jù)圍巖埋深及其他條件進一步的優(yōu)化，但在施工過程中錨桿支護參數(shù)應(yīng)盡量歸并統(tǒng)一，以避免因支護參數(shù)過多，引起施工混淆。

5 結(jié)語

1)工程類比分析法對洞徑不大的隧洞圍巖穩(wěn)定性可快速作出判斷，并可及時提出支護措施。

2)對洞徑小于10 m的隧洞，可采用彈性理論或彈塑性理論對工程類比結(jié)果進行復(fù)核計算，并通過理論計算，可進一步優(yōu)化支護參數(shù)。但在施工過程中錨桿支護參數(shù)應(yīng)盡量歸并統(tǒng)一，以避免因支護參數(shù)過多，引起施工混淆。

3)隧道位移計算結(jié)果，亦可作為監(jiān)測工作的依據(jù)之一，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整支護參數(shù)，以達(dá)到最佳支護參數(shù)，確保隧洞支護方式安全、經(jīng)濟、合理。

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