王淑勤

福建省廈門市汀溪水庫管理處（361000）

關(guān)于輸水隧洞的支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，并且出現(xiàn)圍巖變形、應(yīng)力集中等問題，進(jìn)而對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。隧洞支護(hù)是提高圍巖穩(wěn)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(xiàng)目為例，就其支護(hù)方案，談一下個(gè)人的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，以供參考。

輸水隧洞；支護(hù)結(jié)構(gòu)；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(diǎn)工程，其主要建設(shè)內(nèi)容：管線工程、隧道工程等。該項(xiàng)目采用預(yù)應(yīng)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(xiàng)目建成后可實(shí)現(xiàn)為同翔兩區(qū)應(yīng)急供水10d；同時(shí)實(shí)現(xiàn)汀溪水庫一支渠、梅山供水、竹壩水庫三條輸水線路的并聯(lián)調(diào)度，將同翔兩區(qū)的三大水源進(jìn)行了源水聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了三大水源的統(tǒng)一調(diào)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(hù)原設(shè)計(jì)采用錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，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(hù)施工，變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，以此來提高圍巖穩(wěn)定性。Ⅲ類圍巖段初期支護(hù)方案按原設(shè)計(jì)施工，不作變更。

2　竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞支護(hù)施工技術(shù)

2.1計(jì)算前提分析

基于上述隧洞部分的地質(zhì)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(wěn)定性差。本次初期支護(hù)方案變更設(shè)計(jì)主要分為V類圍巖段、斷層破碎帶，其他特殊地質(zhì)情況應(yīng)以經(jīng)各參加單位商量確認(rèn)后的方案執(zhí)行。根據(jù)地質(zhì)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(hào)的劃分情況，壩頭及猴石山隧洞具體圍巖類別情況按樁號(hào)細(xì)分如下：

1）壩頭：k0+005-k0+080，F(xiàn)1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，F(xiàn)7斷層破碎帶（55 m）；k9+635-k9+660，Ⅲ類圍巖段（25m）；k9+660-k9+730，F(xiàn)8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，F(xiàn)9斷層破碎帶（59.44m）。

綜上地質(zhì)情況，本次隧洞V類圍巖初期支護(hù)方案擬由錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)變更為帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，以加強(qiáng)初期支護(hù)荷載能力。隧洞V類圍巖段初期支護(hù)變更設(shè)計(jì)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(jì)算模型

計(jì)算模型不考慮系統(tǒng)錨桿的有利作用，采用圍巖彈性支撐模型，利用MidasGTS建模計(jì)算。通過荷載計(jì)算，圍巖自重25kN/m3。垂直荷載按深埋荷載計(jì)算出的全部荷載值加載，標(biāo)準(zhǔn)值為86kPa，水平荷載30kPa。有限元計(jì)算結(jié)果：基本組合彎矩與基本組合軸力。本次計(jì)算初期支護(hù)按承擔(dān)全部荷載計(jì)算，拱部跨中位置彎矩最大，為25.2kN·m，計(jì)算中有限元模型為平面模型，初支參數(shù)為每延米對(duì)應(yīng)的參數(shù)。即初支每1m承擔(dān)的最大彎矩為25.2kN·m，為簡化分析，按純彎構(gòu)件計(jì)算初支的承載能力。初期支護(hù)斷面為20cm，C20混凝土配單層Φ8鋼筋網(wǎng)（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(nèi)配一榀14工字鋼，則該斷面對(duì)應(yīng)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(wǎng)的有利影響，僅考慮14工字鋼作用，以下驗(yàn)算工字鋼的承載能力。每榀14工字鋼承擔(dān)25.2kN·m彎矩，經(jīng)計(jì)算工字鋼最大拉壓應(yīng)力為247MPa，小于鋼材允許應(yīng)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(jīng)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(shè)計(jì)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(bào)告僅對(duì)隧洞橫斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。本項(xiàng)目隧洞工程根據(jù)新奧法原理采用復(fù)合式襯砌，利用初期支護(hù)的快速支護(hù)控制圍巖變形，并提高圍巖的自承能力。復(fù)合式襯砌在V類圍巖段應(yīng)二次襯砌緊跟初期支護(hù)，以承擔(dān)大部分圍巖荷載。但本項(xiàng)目隧洞二次襯砌后內(nèi)凈寬尺寸為直徑2m圓形斷面，采用二次襯砌緊跟初期支護(hù)的施工工序，隧洞內(nèi)操作機(jī)械不易。基于上述原因，本項(xiàng)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(shè)計(jì)基本一致；保證隧洞結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)安全；隧洞斷面結(jié)構(gòu)施工可行。

2）隧洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

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(jí)設(shè)計(jì)，主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇設(shè)計(jì)、50年一遇校核防洪標(biāo)準(zhǔn)。變更后標(biāo)準(zhǔn)與原設(shè)計(jì)相同。

3）隧洞橫斷面形狀設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)安全分析

Ⅴ類圍巖二次襯砌可偏保守的按4m覆土進(jìn)行強(qiáng)度校核。對(duì)Ⅴ類圍巖二次襯砌進(jìn)行必要的簡化，按梁系單元進(jìn)行有限元計(jì)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(cè)0.6%）配筋，配Φ16@20cm的主筋，計(jì)算得承載力為61.52kN·m，滿足承載力要求。

5）隧洞水力計(jì)算

隧洞粗糙系數(shù)n值采用的計(jì)算公式與管道相同。全斷面綜合粗糙系數(shù)n按下式計(jì)算：

對(duì)于非圓形截面管道，其當(dāng)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(dāng)量直徑；λ為沿程阻力系數(shù)；v為斷面平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

經(jīng)計(jì)算，變更后的馬蹄形隧洞當(dāng)量直徑de=2，與原直徑2m的圓形隧洞直徑相當(dāng)，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(qiáng)度低，采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，圍巖強(qiáng)度能夠大幅度提升，應(yīng)力水平發(fā)生變化以后，屈服面積縮減，大大提高了圍巖穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)輸水隧洞進(jìn)行支護(hù)，是目前較為普遍應(yīng)用的一種柔性支護(hù)技術(shù)和方法，可將原本比較被動(dòng)的支護(hù)轉(zhuǎn)化成一種較為主動(dòng)的支護(hù)，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠與圍巖構(gòu)成一個(gè)整體，共同支撐圍巖壓力。采用帶鋼拱架的錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，與圍巖之間的接觸面積比較大，而且全面接觸能夠優(yōu)選改善圍巖負(fù)荷分布與相互作用效果，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)整體。初期進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)以后，圍巖仍會(huì)出現(xiàn)變形問題，支護(hù)時(shí)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(dòng)，最大限度地發(fā)揮圍巖塑性區(qū)的承載作用。

［1］紀(jì)鵬.關(guān)于輸水隧洞施工支護(hù)技術(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［D］浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

［3］廈門市竹壩水庫至梅山水廠輸水工程隧洞項(xiàng)目設(shè)計(jì)變更報(bào)告專家組評(píng)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(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)專題會(huì)議紀(jì)要［R］.2013，7.

［5］廈門市汀溪水庫管理處.關(guān)于竹壩水庫至梅山水廠輸水項(xiàng)目隧洞開挖支護(hù)方案及隧洞橫斷面形狀變更設(shè)計(jì)委托函［R］.廈汀水函，2013，25.