輸水隧洞支護施工及圍巖穩定性分析

任志強

(江西省水利水電建設集團有限公司，南昌 330000)

1 工程概況

某地區集中供水工程第2水源工程從分水江流域取水，通過輸水隧洞將水引至W水庫，為下游原水輸水工程提供優質飲用水，本供水工程為I等工程。工程包括進水口、水庫輸水建筑物、分水口、閑林出口流量控制及調壓設施、水庫取水口等建筑物。輸水隧洞-W水庫段輸水線路長約111.6km，其中某標輸水隧洞混凝土襯砌段長約102.39km，淺埋隧洞鋼襯段(不含跨江鋼襯段)長約4.02km，線路跨分水江穿江隧洞段長約2.56km，跨倒虹吸管長約0.83km，輸水線路過小溪流處埋管段長約1.80km。隧洞沿線出露地層主要為古生界和中生界，并分布有自震旦系至白堊系地層，并以陸相及海相的沉積巖、火山碎屑巖為主。地質勘查結果表明，該輸水工程跨越數個地貌構造單元，項目區內褶皺構造與斷裂構造均發育，與工程施工直接相關的是由20余個單體向背斜組成華埠-新登復向斜，且均屬于長軸至準線狀褶皺。

該標隧洞上覆山體厚度在100-300m之間，圍巖巖性以長石石英巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖、含礫石英砂巖為主，夾不穩定的砂質泥巖、粉砂巖等薄層。圍巖類別為Ⅱ-Ⅲ類，基本穩定，但局部穩定性差；部分洞段斷裂構造發育，圍巖強度不足，Ⅳ類圍巖較多，不穩定，掉塊及坍塌發生的可能性較大，必須加強施工支護，確保施工安全。

2 輸水隧洞支護施工方案變更

2.1 支護方案變更

按照原設計，該供水工程水源工程隧洞Ⅳ類圍巖初期支護采用錨桿鋼筋網噴射混凝土形式，考慮到隧洞圍巖幾乎全部為Ⅳ類圍巖且斷層破碎帶發育，為提升圍巖穩定性，將原設計初支方案變更為鎖腳錨桿+系統砂漿錨桿鋼筋網+混凝土噴射的聯合支護形式；Ⅲ類圍巖初支方案不作變更。Ⅳ類偏好圍巖鎖腳錨桿長300cm，D25自進式中空錨桿直徑25mm、長5m且隨機布置；系統砂漿錨桿直徑25mm，長度分4.5m和2.5m兩種，長短間隔按照梅花形布置，間排距1.0m；中空注漿錨桿直徑25mm，長度有4.5m和2.5m兩種，長短間隔并按梅花形布置，間排距1.0m；掛Ф8mm@15cm×15cm鋼筋網；噴涂厚度20cm的C25混凝土；I20a鋼拱架支撐按1.0m間距布置；C30W8F50鋼筋混凝土襯砌厚度45cm。Ⅳ類偏差圍巖自進式中空錨桿設計長度5m，間距0.4m，排距3m；系統砂漿錨桿直徑25mm，長度為4.5m和2.5m，長短間隔并按照梅花形布置，間排距1.0m；中空注漿錨桿直徑25mm，長度分4.5m和2.5m兩種，長短間隔按照梅花形布置，間排距1.0m；掛Ф8@15cm×15cm規格的鋼筋網；噴厚度20cm的C25混凝土；I20a鋼拱架支撐間距1.0m；C30W8F50鋼筋混凝土襯砌厚度45cm。

結合該輸水隧洞地質勘探資料，隧洞圍巖基本為Ⅳ類圍巖，且存在斷層破碎帶，穩定性不良，為此，初支方案變更設計主要劃分為Ⅳ類圍巖段和斷層破碎帶。結合地勘報告并參照原施工圖隧洞斷面圖不同圍巖樁號的劃分，將該輸水隧洞圍巖類別根據樁號進行進一步細分。標段1：K0+006-K0+095段為斷層破碎帶，長度89m；K0+096-K0+578段為Ⅳ類圍巖段，長482m。標段2：K8+420-K8+485段為為斷層破碎帶，長65m；K8+486-K8+541段為Ⅲ類圍巖段，長55m；K8+542-K8+638段為Ⅳ類圍巖段，長96m；K8+639-K8+697.3段為斷層破碎帶，長58.3m。結合以上地質情況，該輸水隧洞Ⅳ類圍巖段初支方案從錨桿鋼筋網噴射混凝土變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網+噴射混凝土聯合支護，以使初支荷載能力顯著增強。支護方案變更后所增設的鋼拱架總裝結構具體見圖1。

圖1 增設的鋼拱架總裝結構圖

2.2 計算模型

利用Midas GTS巖土和隧道結構設計有限元分析軟件構建不考慮系統錨桿作用的圍巖彈性支撐模型，荷載計算結果表明，圍巖結構自重25kN/m3，按照深埋荷載所計算出的全部荷載值86kPa作為垂直荷載加載，水平荷載取30kPa[1]。圍巖初期支護根據所承擔的全部荷載計算，跨拱部中位最大彎矩25.2kN·m，以每延米所對應參數為初期支護參數，即每延米初期支護結構所承擔的彎矩最大值為25.2kN·m。為使分析過程簡化，初期支護結構承載力按照純彎構件計算[2]。根據設計，初支斷面20cm，采用尺寸20cm×20cm的Φ8mm單層鋼筋網配合C20混凝土，100cm鋼拱架及14工字鋼，簡化為高20cm、寬100cm的型鋼混凝土斷面，并在斷面內配置一榀14工字鋼。忽略型鋼混凝土截面內鋼筋網及混凝土的影響，僅考慮14工字鋼的作用，進行工字鋼承載能力驗算。根據驗算結果，工字鋼所承擔的彎矩為25.2kN·m/榀，拉壓應力最大值為247MPa，比鋼材應力允許值300MPa小。考慮到該輸水隧洞圍巖特征即斷層破碎帶分布情況，出于工程安全方面的考慮，14工字鋼鋼拱架應當按照75cm間距設置。

3 隧洞斷面形狀變更

3.1 變更思路

隧洞軸線采用原設計方案，隧洞橫斷面形狀則從原圓形斷面變更為馬蹄形斷面。該輸水隧洞主要依據新奧法原理采用復合襯砌形式，借助初期支護快速支護功能達到控制圍巖變形、提升圍巖結構承載能力的目的[3]。Ⅳ類圍巖段的二襯施工緊跟初支進行，以便分擔大部分圍巖荷載。然而該輸水隧洞二襯結構后內凈寬為直徑2.0m的圓形斷面，若緊跟初支實施二襯施工，則隧洞內無法展開機械化操作。為此，在確保隧洞過流斷面和原設計一致且隧洞結構經濟安全、斷面結構施工可行的基礎上，將隧洞斷面形狀從圓形變更為馬蹄形。

該供水工程等級為I等，包括事故檢修閘、控制閘、調壓井、分水口、出口流量控制等在內的輸水隧洞主要建筑物均額1級建筑物設計，防洪標準為30a一遇設計、50a一遇校核，隧洞斷面形式變更后以上設計標準均不變。

Ⅳ類圍巖二襯按照4m覆土厚度進行強度校核，并應適當簡化Ⅳ類圍巖二襯結構，采用梁系單元進行有限元分析。簡化后的模型具體見圖2。根據分析，該輸水隧洞最不利受力位置在仰拱中心，彎矩24.75kN·m，設計襯砌厚度為30cm，雙側均按照0.6%的最小配筋率配Φ16mm@20cm主筋，對應的承載力為61.54kN·m，符合承載力要求。

圖2 簡化后的模型圖

3.2 隧洞水力計算

該輸水隧洞粗糙系數的計算與輸水管道粗糙系數計算相同，對于非圓形截面管道，當量直徑：

de=4A/x

(1)

式中：A為有效截面積，m2，x為濕周。

沿程阻力損失：

hf=λlv2/de2g

(2)

式中：λ為沿程阻力系數；l為輸水隧洞管段長度，m；v為斷面流速均值，m/s；g為重力加速度，m/s2。

調整后的馬蹄形隧洞當量直徑取2.0m，與圓直徑2.0m的圓形隧洞當量直徑一致，原圓形隧洞水力損失0.63m，而隧洞橫斷面形狀變更為馬蹄形隧洞形式后隧洞水力損失降至0.59m，可見，隧洞橫斷面形狀變更后并不影響隧洞功能；應用帶鋼拱架錨桿鋼筋網+噴射混凝土的聯合支護技術能使圍巖結構強度顯著提升，應力水平改善，屈服面積縮減，圍巖結構穩定性大大提升。

4 結 論

該供水工程輸水隧洞變更后的鎖腳錨桿+系統砂漿錨桿鋼筋網+噴射混凝土的聯合支護形式是當前水工隧洞中較為常見的柔性支護技術，其能將原被動型的支護結構轉化為主動性支護，且支護結構將會與所支護圍巖形成整體，共同承力。該輸水隧洞所采用的聯合支護結構與圍巖間的接觸面積大，并能改善圍巖負荷分布以及支護結構與圍巖的作用效；雖然初期臨時支護后圍巖仍會表現出一定的變形，但這種支護變形將轉變為工程力和圍巖承載力，起到避免松動并最大程度發揮圍巖塑性區承載作用的目的。