關于輸水隧洞的支護結構及圍巖穩定性分析

王淑勤

福建省廈門市汀溪水庫管理處（361000）

關于輸水隧洞的支護結構及圍巖穩定性分析

王淑勤

福建省廈門市汀溪水庫管理處（361000）

在輸水隧洞開挖施工過程中，可能會導致應力重新分布，并且出現圍巖變形、應力集中等問題，進而對圍巖穩定性造成嚴重的影響。隧洞支護是提高圍巖穩定性的有效方法和措施，文章以廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞項目為例，就其支護方案，談一下個人的觀點和認識，以供參考。

輸水隧洞；支護結構；分析

1　工程概況

廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程為市重點工程，其主要建設內容：管線工程、隧道工程等。該項目采用預應力鋼筋混凝土管，長8991m，管徑DN1400，輸水流量為1.50m3/s，隧洞長959m，概算投資9109萬元。項目建成后可實現為同翔兩區應急供水10d；同時實現汀溪水庫一支渠、梅山供水、竹壩水庫三條輸水線路的并聯調度，將同翔兩區的三大水源進行了源水聯網，實現了三大水源的統一調度，大大提升供水保證率，保障供水安全。

該隧洞Ⅴ類圍巖初期支護原設計采用錨桿鋼筋網噴射混凝土支護，本隧洞圍巖基本都是Ⅴ類圍巖，還存在斷層破碎帶，因此本次支護施工，變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網噴射混凝土聯合支護，以此來提高圍巖穩定性。Ⅲ類圍巖段初期支護方案按原設計施工，不作變更。

2　竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞支護施工技術

2.1計算前提分析

基于上述隧洞部分的地質資料分析，隧洞工程圍巖基本為V類圍巖，還存在斷層破碎帶，圍巖穩定性差。本次初期支護方案變更設計主要分為V類圍巖段、斷層破碎帶，其他特殊地質情況應以經各參加單位商量確認后的方案執行。根據地質資料分析以及參照原施工圖的隧洞縱斷面圖中各段圍巖樁號的劃分情況，壩頭及猴石山隧洞具體圍巖類別情況按樁號細分如下：

1）壩頭：k0+005-k0+080，F1斷層破碎帶（75m）；k0+080-k0+525，V類圍巖段（445）。

2）猴石山：k9+430.44-k9+580，V類圍巖段（149.56m）；k9+580-k9+635，F7斷層破碎帶（55 m）；k9+635-k9+660，Ⅲ類圍巖段（25m）；k9+660-k9+730，F8斷層破碎帶（70m）；k9+730-k9+760，Ⅲ類圍巖段 （30m）；k9+760-k9+810，V類圍巖段（50 m）；k9+810-k9+869.44，F9斷層破碎帶（59.44m）。

綜上地質情況，本次隧洞V類圍巖初期支護方案擬由錨桿鋼筋網噴射混凝土支護變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網噴射混凝土聯合支護，以加強初期支護荷載能力。隧洞V類圍巖段初期支護變更設計增加的鋼拱架總裝圖如圖1所示。

圖1　鋼拱架總裝圖

2.2計算模型

計算模型不考慮系統錨桿的有利作用，采用圍巖彈性支撐模型，利用MidasGTS建模計算。通過荷載計算，圍巖自重25kN/m3。垂直荷載按深埋荷載計算出的全部荷載值加載，標準值為86kPa，水平荷載30kPa。有限元計算結果：基本組合彎矩與基本組合軸力。本次計算初期支護按承擔全部荷載計算，拱部跨中位置彎矩最大，為25.2kN·m，計算中有限元模型為平面模型，初支參數為每延米對應的參數。即初支每1m承擔的最大彎矩為25.2kN·m，為簡化分析，按純彎構件計算初支的承載能力。初期支護斷面為20cm，C20混凝土配單層Φ8鋼筋網（20cm×20cm），鋼拱架為100cm間距I14工字鋼，簡化為型鋼混凝土斷面，斷面高20cm，寬100cm，斷面內配一榀14工字鋼，則該斷面對應的彎矩為25.2kN·m。不考慮型鋼混凝土截面中混凝土及鋼筋網的有利影響，僅考慮14工字鋼作用，以下驗算工字鋼的承載能力。每榀14工字鋼承擔25.2kN·m彎矩，經計算工字鋼最大拉壓應力為247MPa，小于鋼材允許應力300MPa。由于本工程大部分都是V類圍巖，且有F1、F7、F8、F9斷層破碎帶經過，從工程偏安全考慮，I14工字鋼鋼拱架間距采用75cm。

3　隧洞橫斷面形狀

隧洞軸線與原設計相同。本次隧洞橫斷面形狀變更主要是由圓形斷面變更為馬蹄形斷面。故本報告僅對隧洞橫斷面結構進行說明。本項目隧洞工程根據新奧法原理采用復合式襯砌，利用初期支護的快速支護控制圍巖變形，并提高圍巖的自承能力。復合式襯砌在V類圍巖段應二次襯砌緊跟初期支護，以承擔大部分圍巖荷載。但本項目隧洞二次襯砌后內凈寬尺寸為直徑2m圓形斷面，采用二次襯砌緊跟初期支護的施工工序，隧洞內操作機械不易。基于上述原因，本項目隧洞橫斷面形狀擬由圓形斷面變更為馬蹄形斷面。

1）變更原則

保證隧洞過流斷面與原設計基本一致；保證隧洞結構經濟安全；隧洞斷面結構施工可行。

2）隧洞設計標準

竹壩水庫輸水工程工程等別定為Ⅲ等，隧洞等主要建筑物工程均按3級設計，主要建筑物防洪標準采用30年一遇設計、50年一遇校核防洪標準。變更后標準與原設計相同。

3）隧洞橫斷面形狀設計

本次隧洞橫斷面形狀變更主要是由圓形斷面變更為馬蹄形斷面。

4）隧洞結構安全分析

Ⅴ類圍巖二次襯砌可偏保守的按4m覆土進行強度校核。對Ⅴ類圍巖二次襯砌進行必要的簡化，按梁系單元進行有限元計算，簡化后的模型如圖2。

由上述建模分析可知，最不利位置為仰拱中心位置，彎矩為24.57kN·m；此處襯砌厚30cm，按最小配筋率（雙側0.6%）配筋，配Φ16@20cm的主筋，計算得承載力為61.52kN·m，滿足承載力要求。

5）隧洞水力計算

隧洞粗糙系數n值采用的計算公式與管道相同。全斷面綜合粗糙系數n按下式計算：

對于非圓形截面管道，其當量直徑為de=4A/x

A為有效截面積，x為濕周。沿程阻力損失hf= λlv2/de2g，λ=f（Re，ε/d）。

其中：l為管段長度（m）；de為當量直徑；λ為沿程阻力系數；v為斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

經計算，變更后的馬蹄形隧洞當量直徑de=2，與原直徑2m的圓形隧洞直徑相當，原壩頭圓形隧洞水利損失為0.63m，猴石山圓形隧洞水利損失為0.53m。改為馬蹄形后，壩頭隧洞水利損失為0.71 m，猴石山隧洞水利損失為0.59m。因此，隧洞橫斷面形狀改為馬蹄形后不影響隧洞使用。隧道斷面圍巖強度低，采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網噴射混凝土聯合支護技術，圍巖強度能夠大幅度提升，應力水平發生變化以后，屈服面積縮減，大大提高了圍巖穩定性。

4　結語

采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網噴射混凝土聯合支護技術對輸水隧洞進行支護，是目前較為普遍應用的一種柔性支護技術和方法，可將原本比較被動的支護轉化成一種較為主動的支護，而且支護結構能夠與圍巖構成一個整體，共同支撐圍巖壓力。采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網噴射混凝土聯合技術進行支護，與圍巖之間的接觸面積比較大，而且全面接觸能夠優選改善圍巖負荷分布與相互作用效果，使圍巖與支護結構構成一個整體。初期進行臨時支護以后，圍巖仍會出現變形問題，支護時以變形形式變成工程力以及圍巖承載力，這樣可以避免松動，最大限度地發揮圍巖塑性區的承載作用。

［1］紀鵬.關于輸水隧洞施工支護技術的探索分析［J］黑龍江水利科技，2014（08）.

［2］劉厚銀.深埋隧洞圍巖及支護結構穩定性研究［D］浙江工業大學，2015.

［3］廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞項目設計變更報告專家組評審意見［R］.2013，10，25.

［4］廈門市水利局.竹壩水庫至梅山水廠輸水項目現場協調專題會議紀要［R］.2013，7.

［5］廈門市汀溪水庫管理處.關于竹壩水庫至梅山水廠輸水項目隧洞開挖支護方案及隧洞橫斷面形狀變更設計委托函［R］.廈汀水函，2013，25.