輸水隧洞弱膠結軟巖洞段支護結構優化研究

王景義

(遼寧葠窩水力發電有限責任公司，遼寧 遼陽 111000)

1 工程概況

白石水庫坐落于遼寧省北票市大凌河干流上，是一座以防洪和供水為主，兼有其他諸多功能的大型水利樞紐工程，水庫壩址以上流域面積為17 649 km2，設計庫容為16.45億m3，是遼西地區的第一大水庫[1]。為了滿足供水需求，在水庫建設中預留了引白入阜取水口，阜新市引白水源一期工程已經正式竣工、通水，對緩解阜新市水資源緊張狀況起到了十分重要的作用。目前，二期工程已經開工建設，主要由85 km的輸水隧洞和72 km的輸水管線組成，工程建成后將進一步緩解下游城市的用水緊張狀況[2]。

工程輸水隧洞D15+203～D16+118洞段的圍巖以砂質和粉質砂巖為主，巖層內沒有明顯的斷層和裂隙分布，相對比較穩定，但巖體本身的質量較差，遇水易軟化，這對輸水隧洞的建設及后期運行較為不利。工程現場取樣的實驗室試驗結果顯示，該洞段巖層中的含水量較高，在圍巖的巖石間存在較多的巖屑與水的混合物，巖層內部的巖粒之間主要以膠結物相連接，由于巖粒以各種不同性質的砂巖為主，遇水容易發生膨脹，遇空氣容易發生氧化反應，隧洞圍巖的抗壓強度值相對較低，因此在開挖支護初步設計中采用錨梁網噴支護設計[3]。其中，錨桿的直徑為22.0 mm，長度為2.5 m，間距和排距均為0.8 m；錨索的直徑為17.8 mm，長度為7.3 m，間距為2.0 m，排距為1.6 m。

2 隧洞開挖支護監測與分析

2.1 監測內容與方法

隧洞開挖支護過程中，在錨索的預留孔部位設置GSJ-2型監測儀，用于監測錨索錨固力的變化，并據此分析隧洞圍巖深部的支護穩定性特征；在錨桿的預留孔部位同樣安裝GSJ-2型監測儀，實現對錨桿錨固力的監測[4]，并以監測結果判斷錨桿受力的安全性，同時分析圍巖淺部支護的穩定性特征；在隧洞的拱頂、拱肩以及拱腰部位安裝LDD3型激光測距儀，測量隧洞圍巖位移變形數據，獲得開挖支護施工過程中的圍巖位移變形特征；在隧洞的拱頂、拱肩以及拱腰部位安裝正弦式混凝土應變計，監測噴射混凝土層的應力應變數據，說明混凝土變形和受力狀況[5]。

為了獲取開挖支護原始設計方案的實際支護效果，將D15+203～D15+223洞段作為試驗洞段，確定D15+213斷面為監測斷面，進行監測儀器的安裝和監測工作，監測儀器的安裝時間為2019年8月7日，監測歷時90 d。

2.2 監測結果與分析

試驗過程中錨索和錨桿軸力的監測結果顯示，錨桿和錨索軸力均呈現出先增大后逐漸趨于穩定再緩慢減小的變化特征。錨桿軸力均值為72.1 kN，最大值為119.3 kN，位于隧洞的拱頂部位，最小值為12.4 kN，位于右拱肩部位。錨索軸力均值為46.2 kN，最大值為65.4 kN，位于左拱肩部位，最小值為22.5 kN，位于右拱肩部位。從實驗結果來看，錨索的預緊力并沒有達到設計要求，特別是右拱肩部位錨索的軸力最大值僅為22.5 kN，嚴重影響錨索的錨固功能發揮。

從監測斷面的沉降變形來看，在監測的前30 d拱頂沉降變形量相對較小且比較穩定，30 d后沉降量突然增大，圍巖拱腰的收斂變形基本穩定。從應力應變的試驗監測數據來看，隧洞右拱肩部位的壓應變值最大，為-423.5 με，拱頂部位的壓應變值最小，為13.4 με。

綜合監測結果，由于研究洞段需要穿越弱膠結軟巖巖層，且構造本身較為簡單，因此采用錨噴索聯合支護方式可以滿足隧洞穩定性的要求。但由于圍巖巖性比較特殊，存在遇水軟化的特點，因此導致錨索的預拉應力明顯不足，且錨桿和錨索所受的拉應力值也相對較小[6]。由此可見，原始支護設計中的錨桿和錨索并沒有充分發揮作用，進而造成圍巖結構與支護體系之間缺乏足夠的受力變形耦合度，對隧洞的長期穩定運行不利，需要進行進一步優化[7]。

3 優化方案與監測結果評價

3.1 優化方案設計

根據原設計方案檢測結果及存在的不足，提出錨梁網噴索的聯合支護優化方案[8]：

(1)沿著隧洞拱頂中線向兩側對稱布置13根長2.5 m的錨桿，錨桿的材質為高強度螺紋鋼，直徑為20 mm，排距和間距均為1.0 m。錨桿的錨固長度為1.3 m，錨固設計強度不低于130 kN。

(2)在隧洞拱頂向兩側對稱設計3根直徑17.8 mm 的錨索，長度為6.3 m，排距和間距均為2.0 m。錨索的錨固長度為1.5 m，錨固設計強度不低于245 kN。

(3)掛鋼筋網采用的是直徑6 mm的鋼筋，鋼筋間距為10 cm。

(4)鋼筋托梁采用的是直徑12 mm的圓鋼，間距為1.0 m。

(5)噴層混凝土的厚度設計為15 cm，混凝土標號為C25。

3.2 優化方案監測結果分析

對于優化后的支護方案，選擇將D15+223～D15+243洞段作為試驗洞段，以D15+233斷面為監測斷面，監測內容和方式與原始方案相同。監測時間始于2019年12月15日，監測歷時90 d。根據對監測結果的分析，判斷優化方案的支護效果。

3.2.1 錨桿軸力監測結果與分析

試驗中對監測斷面左拱肩、拱頂和右拱肩部位的5號、7號和9號錨桿拉力進行監測，根據監測數據繪制出的錨桿軸力隨時間變化曲線如圖1所示。由圖1可知，由于采取了強化端頭錨固等措施，優化后的錨桿軸力呈現出先快速增大后逐漸趨于穩定的變化特征。左拱肩部位的錨桿的軸力最大值為78.13 kN、拱頂部位的軸力最大值為107.33 kN、右拱肩部位的軸力最大值為88.24 kN，均未超過錨桿的設計錨固力和破斷力設置，錨桿的作用得到了較為有效的發揮，有效避免了錨桿由于圍巖軟化以及錨固力不足造成的拉力松弛的問題，提高了支護效果。

圖1 錨桿軸力隨時間變化曲線

3.2.2 錨索軸力監測結果與分析

試驗中對監測斷面左拱肩、拱頂和右拱肩部位的1號、2號和3號錨索軸力進行監測，根據監測數據繪制出的錨索軸力隨時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知，錨索的軸力隨著張拉時間的變化而迅速增大，之后逐漸減小并趨于穩定。究其原因為錨索一開始并沒有張緊，主要用托盤固定，因此變形力持續增大，但隨著錨固力逐步向圍巖分攤，其錨索軸力逐漸下降，并趨于穩定。穩定之后左拱肩部位的錨索軸力值為67.3 kN、拱頂部位的錨索軸力值為77.1 kN、右拱肩部位的錨索軸力值為69.4 kN。由此可見，通過優化設計，錨索軸力不足問題得到了有效改善，避免了因錨索錨固力不足而造成的功能衰退。

圖2 錨索軸力隨時間變化曲線

3.2.3 位移變形監測結果與分析

試驗中對監測斷面拱頂、拱腰位移變形進行監測，根據監測數據繪制出的位移變形隨時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知，拱頂沉降變形和拱腰收斂變形呈現出先迅速增大，再緩慢增大，最后趨于穩定的變化特點。在穩定之后的拱頂沉降量為53.8 mm，拱腰收斂變形量為61.7 mm。

圖3 位移變形隨時間變化曲線

最終的變形量均在安全范圍內，且與原始設計方案相比有明顯的減小。說明在支護方案優化之后，圍巖變形得到了有效控制，取得了良好的支護效果。

4 結 論

(1)原支護設計中的錨桿和錨索并沒有充分發揮作用，造成圍巖結構與支護體系之間缺乏足夠的受力變形耦合度，對隧洞的長期穩定運行不利。

(2)根據原設計方案檢測結果及存在的不足，提出錨梁網噴索的聯合支護優化方案。

(3)試驗結果顯示，優化設計方案下的錨桿和錨索軸力不足問題得到有效改善，避免了因錨桿和錨索錨固力不足而造成的功能衰退，圍巖變形得到有效控制，取得了良好的支護效果。