輸水隧洞穿越節理破碎巖洞段大變形控制方案比選研究

劉 杰

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程背景

某輸水隧洞穿越FG12斷層洞段存在比較復雜的地質環境，巖體主要是片理化玄武巖，巖性比較軟弱，物理力學性能較差。同時，巖體中還夾雜多層凝灰巖。由于凝灰巖極易遇水軟化，且部分洞段有地下水滲出，圍巖強度應力比小于0.12。針對該洞段的地質情況，工程項目部擬采用全斷面超前注漿加固和三臺階開挖法的施工方案，同時在施工中做好止水工作，確保開挖施工安全[1]。由于研究洞段圍巖多為片理化玄武巖，容易發生錯動變形。在進行開挖支護施工時，結構面大多呈張開狀態，極易誘發圍巖大變形，給工程施工安全造成重大威脅[2]。由此可見，采用科學合理的施工方案，對研究洞段的圍巖大變形進行有效控制，是工程建設中亟待解決的問題。基于此，此次研究利用現場試驗的方式對初選方案進行對比分析，以獲得最佳施工方案。

2 現場試驗設計

2.1 初選方案

在地下洞室工程支護施工方面，目前主要由屈服支護和阻力支護兩大基本原則[3]，控制措施也主要有兩個方面：一是通過注漿、打設錨桿等方式提高圍巖的自承能力，二是通過增設套拱、強化拱架設計等方式采用合理的支護體系[4]。鑒于背景工程的圍巖較為破碎，自持能力較差，因此應選擇阻力支護原則，主要采用圍巖加固和加強拱架等措施[5]。基于此，提出如下圍巖大變形控制方案。

方案1：該方案的初支采用I18鋼拱架和C25噴射混凝土，其厚度為25cm；二次襯砌為C35模筑混凝土，厚度為45cm。鋼拱架的間距為0.8m，錨桿長度為3m，預留變形量設定為30cm。

方案2：該方案的初支采用I20鋼拱架和C25噴射混凝土，其厚度為27cm；二次襯砌為C35模筑混凝土，厚度為45cm。鋼拱架的間距為0.6m，錨桿長度為4m，預留變形量設定為40cm。

方案3：該方案的初支采用I20鋼拱架和C25噴射混凝土，其厚度為27cm；二次襯砌為C35模筑混凝土，厚度為45cm。鋼拱架的間距為0.6m，邊墻錨桿長度為6.5m，預留變形量設定為40cm。

2.2 試驗方法

此次試驗選擇樁號0+203～0+218洞段作為試驗段，每種方案的試驗長度為5m。在試驗過程中利用不同的儀器設備對隧洞的圍巖和支護體系的受力變形進行測量，了解隧洞在不同控制方案下圍巖和支護體系的力學形態變化，以驗證控制方案的科學性與合理性，以確定最佳施工方案。

在現場試驗過程中，每種方案選擇一個典型斷面進行測量，3個典型斷面分別位于0+205.5、0+210.5、0+215.5部位。由于3種方案均為3臺階開挖工法，因此三種方案均設置上、中、下臺階水平收斂線以及拱頂沉降監測點[6]。

試驗過程中需要對襯砌結構和圍巖的應力變形進行監測，因此在試驗匯中需要埋設土壓力盒、混凝土應變計，對3個測試斷面的應力和位移進行監測[7]。其中，土壓力盒主要用于圍巖壓力的監測；混凝土應變計主要用于襯砌混凝土的應力監測。在現場試驗過程中按照環形開挖預留核心土工法，對試驗儀器進行分步安裝。其中，土壓力盒埋設過程中，應該先清理好測試位置，使其表面平整，以保證壓力盒受壓面和測試位置的充分接觸，然后將壓力盒和圍巖接觸面的縫隙中填入水泥砂漿，保證壓力盒面和測試位置充分接觸。在混凝土應變計安裝過程中，應該保證其受力方向和測試元件的軸線一致，然后緊固螺釘，保證試驗過程中器件的穩定性，圍巖的位移監測使用多點位移計[8- 9]。

3 試驗結果與分析

3.1位移監測結果與分析

在方案1現場試驗數據中提取監測斷面各個監測點的位移數據，繪制出襯砌各部位的位移變形時程曲線，結果如圖1所示。由圖1可以看出，在隧洞開挖支護過程中，拱頂豎向位移和水平位移均在中臺階開挖過程中產生較大的位移，說明中臺階開挖對隧洞各監測部位的位移變形量影響較大。從具體的位移量累積結果來看，方案1的拱頂累計豎向位移量為167.8mm；上臺階累計位移量為322.2mm；中臺階累計位移量為591.7mm；下臺階累計位移量為315.2mm。由于下套接開挖時間和仰拱填充之間的間隔過短，因此中臺階的收斂變形量明顯大于下臺階，這說明蠕變位移和之間存在較為明顯的正比關系。同時，在仰拱填充之后，隧洞各部位的位移變形存在較為明顯的放緩現象，說明結構成環對位移變形具有減緩作用。此外，在方案1的條件下，仰拱填充使支護結構成環后，各部位的變形均存在一定的放緩現象，但是并沒有出現明顯的收斂，因此該方案對變形的控制作用不甚理想。

圖1 方案1位移時程曲線

在方案2現場試驗數據中提取監測斷面各個監測點的位移數據，繪制出襯砌各部位的位移變形時程曲線，結果如圖2所示。由圖2可以看出，在隧洞開挖支護過程中，各個監測部位的均出現較為明顯的位移變形，且變化規律與方案1基本一致。從具體的位移量累積結果來看，拱頂累計豎向位移量為110.7mm；上臺階累計位移量為214.6mm；中臺階累計位移量為438.8mm；下臺階累計位移量為193.9mm。與方案1相比，各關鍵部位的累計位移量均有明顯的減小。從過程來看，在下臺階開挖之后，位移變形開始增大，且仰拱填充后仍沒有明顯的收斂現象。在仰拱填充完成6d之后，各部位的結構變形基本趨于收斂。綜合上述，方案2要優于方案1，雖然總體變形量仍較大，但最終能夠實現穩定收斂，符合施工變形的控制預期。

圖2 方案2位移時程曲線

在方案3現場試驗數據中提取監測斷面各個監測點的位移數據，繪制出襯砌各部位的位移變形時程曲線，結果如圖3所示。由圖3可以看出，拱頂累計豎向位移量為98.5mm；上臺階累計位移量為167.6mm；中臺階累計位移量為271.8mm；下臺階累計位移量為151.9mm。與方案2相比，各個關鍵部位的累計位移量又有進一步的減小。同時，在長錨桿施作之后，各個關鍵部位均達到穩定的變形收斂，符合施工預期，在3種方案中具有明顯的額優勢，可以實現良好的圍巖變形控制效果。

圖3 方案3位移時程曲線

3.2 襯砌主應力

根據試驗中各方案個測點的最大主應力試驗數據，提取出各個不同時間節點的最大主應力最大值，繪制出如圖4所示的最大主應力時程曲線。由圖4可以看出，支護方案1的最大主應力的變化范圍較大，呈現出顯著的波動上升并趨于穩定的變化的特征，其最小主應力的最大值出現在第36d，為23.4MPa，之后保持較大值并略有下降。與方案1相比，方案2的最大主應力時程曲線的變化范圍相對較小，其最大值為17.2MPa，出現在第34d，由于圍巖加固的疊加措施發揮作用，圍巖應力在開挖過程中得到進一步緩慢釋放。與方案1和方案2相比，方案3的最大主應力時程曲線變化范圍更小，波動也比較平穩，其最大值為-6.2MPa，出現為第8d，在仰拱填充后最大主應力值大幅減小并趨于收斂。

圖4 各方案最大主應力時程曲線

根據試驗中各方案個測點的最小主應力試驗數據，提取出各個不同時間節點的最小主應力最大值，繪制出的最小主應力時程曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，支護方案1的最小主應力的變化范圍較大，呈現出顯著的明顯的波動上升并趨于穩定的變化的特征，其最小主應力的最大值出現在第28d，為-67.1MPa，之后保持較大值并略有下降。與方案1相比，方案2的最小主應力時程曲線的變化范圍相對較小，其最大值為-63.9MPa，出現在第18d，由于圍巖加固的疊加措施發揮作用，圍巖應力在開挖過程中得到進一步緩慢釋放。與方案1和方案2相比，方案3的最小主應力時程曲線變化范圍更小，波動也比較平穩，其最大值為-46.2MPa，出現為第10d，在仰拱填充后最小主應力值大幅減小并趨于收斂。從應力監測結果來看，方案1的可以實現最大主應力和最小主應力的有效控制為最佳方案。

圖5 各方案最小主應力時程曲線

4 結語

穿越復雜地質環境的地下洞室工程施工中，必須要選擇科學、合理的開挖支護工程方案，能保證工程施工的順利進行和工程運行的安全性和穩定性。此次研究以現場試驗的方法，對初選方案進行對比試驗研究，獲得適合背景工程實際的最佳方案。研究結果不僅可以為背景工程施工提供技術支持，保證工程施工的順利進行和輸水隧洞襯砌結構的安全性和穩定性，同時也可以為相關類似工程施工研究提供有益的借鑒。當然，隨著水利工程建設技術的不斷發展，大變形隧洞新型支護技術日漸增多，在今后的研究中，還應該側重于施工新技術的開發和應用，構建起安全系數和施工效率更高的新型支護體系。