膠東地區引黃調水工程村里隧洞支護設計

單既連，葉 昆，宋文軍

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014；2.淄博泰信巖土工程有限公司，山東 淄博 256100）

山東省膠東地區引黃調水工程自黃河引水，利用現有的引黃濟青部分輸水河、新辟輸水明渠、七級提水泵站、壓力管道、隧洞及暗渠輸水至威海市米山水庫，輸水線路總長482.247km，設計流量為4.8～22.0m3/s。

村里隧洞位于蓬萊市村里集鎮，全長6347.3m，設計流量為11.0m3/s，校核流量為14.3m3/s，凈斷面尺寸3.8m×3.3m（寬×高）加半圓拱，縱向比降為1/1500。

該段地質條件為：斷層、斷裂構造帶和節理密集帶巖石風化較強烈，蝕變明顯，圍巖整體性差，巖石單軸飽和抗壓強度為45.8MPa，中硬巖石，不完整系數為0.405，巖體完整性差，局部漏水較重，可能產生集中涌水，圍巖分類為Ⅴ類，穩定性差，圍巖強度不足，局部會產生塑性破壞，若不支護將產生塌方或變形破壞。

1 復合支護設計

對于Ⅴ類圍巖采用復合支護形式，初期為噴、錨、網、鋼架組合支護，二期為鋼筋混凝土支護。

1.1 超前支護

洞口段及斷層帶圍巖、易埸方、冒頂段全斷面采用Ф42小導管注漿；花崗巖散體狀結構、砂礫堆積層采用自進式中空注漿錨桿；一般斷層影響帶、節理密集帶及偶遇滲水～經常滲水的IV類圍巖采用Ф18mm超前錨桿。超前錨桿或小導管的長度應大于循環進尺的2倍，宜為3～3.5m，搭接長度不小于1.0m。

1.2 初期支護

采用噴射混凝土、鋼筋網、錨桿組成支護體系，并視情況采用格柵鋼架。開挖后噴射5cm厚的C25混凝土，掛Ф8mm鋼筋網及鋼架，再噴5～15cm厚的C25混凝土。

1.3 二次襯砌

采用模筑C25鋼筋混凝土，厚度為25cm。二次襯砌每15.0m一節，節間設伸縮縫，縫寬20mm，內設止水和閉孔泡沫板。

1.4 監控量測設計

采用錨噴構筑法修建隧洞，現場監控量測項目不僅是監測各施工階段圍巖和支護動態，確保施工安全，而且為調整初期支護設計參數、確定二次襯砌和底板的施作時間，提供反饋信息，作為支護調整的依據。

2 支護技術的動態設計

在隧洞施工過程中，通過對工程全面監測信息的綜合分析及互相論證，采用動態變形反演算仿真分析法，通過有限元計算分析，論證設計支護方案的安全、經濟性，為現場施工提供技術支持，同時根據分析情況及時調整支護方案。

2.1 仿真計算模型

根據地質及現場施工條件，在數值模擬時采用以下步驟模擬施工過程和順序：先開挖隧洞的上半部分，進行初期支護，施工1～2個循環后再開挖隧洞的下半部分，進行初期支護。

根據不同施工階段，共劃分為733個單元，如圖1。

2.2 預支護方案

圖1 開挖后的單元劃分圖

預支護方案情況下，實測斷面隧洞鉛垂收斂值為12.2mm，水平收斂值為14.6mm；經反演算分析，隧洞鉛垂收斂為15.3mm，水平收斂為15.2mm。實測值與計算值基本相當，都小于Ⅴ類圍巖設計允許變形量50～80mm的要求，說明支護還有優化的余地，在調整支護參數后再進行反演算分析，最終根據不同的地質條件確定合適的支護方案。

2.3 動態調整方案

根據預支護計算分析成果，對噴射混凝土厚度、鋼筋網直徑、鋼拱架的間距、二次支護的厚度及各施工工序的施作時間等進行優化。優化后經計算，噴射混凝土的最大拉應力是0.92MPa，最大壓應力為1.97MPa，均滿足C25混凝土的抗拉及抗壓要求；拱頂最大向下位移是12.26mm，底板最大向上位移是64.84mm，鉛垂收斂值為77.1mm，水平收斂值為52.7mm。實測拱頂最大向下位移為22.8mm，實測水平收斂值為52.82mm，計算值與實測值基本接近，說明支護參數的選擇比較合理。

3 結語

通過對隧洞支護進行有限元反演算仿真分析，根據不同時段量測的圍巖的各種位移變形量及收斂值，采用有限元計算軟件，對圍巖及支護進行動態的整體有限元反演算分析，提出符合實際情況的安全經濟的隧洞支護形式。較之過去一般的工程類比法，反演算仿真分析法無論在理論內涵或工程應用上，都具有優越性，使隧洞工程設計從目前的定性水平，提高到理論——經驗——信息資料與計算機技術結合的綜合集成定量化水平。