王宏偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

基于新奧法的輸水隧洞支護(hù)時機(jī)分析

王宏偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

輸水隧洞開挖后的圍巖穩(wěn)定性問題是影響工程設(shè)計和施工安全的關(guān)鍵問題。文章選取勝利水電站輸水隧洞的出口段作為研究對象，利用新奧法支護(hù)時機(jī)原理選取出口段的某一洞段為應(yīng)用實(shí)例，計算分析了該洞段的最佳支護(hù)時機(jī)問題。

輸水隧洞；數(shù)值模擬；支護(hù)時機(jī)

1 工程概況

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內(nèi)的蘇子河上，是遼寧省規(guī)劃的蘇子河梯級開發(fā)中的最后一級[1]。勝利水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利樞紐工程。該工程設(shè)計庫容為6.98億m3，工程等別為Ⅳ等。電站部分由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐組成。引水隧洞全長3924 m為無壓隧洞設(shè)計，縱坡i=1.7‰。隧洞洞徑設(shè)計為5.2 m，最大輸水量為65 m3/s[2]。

隧洞圍巖主要由古生代奧陶紀(jì)和志留紀(jì)地層組成，新生界第三系地層有一定分布，但是范圍不廣。其中古生代地層主要由灰色或灰褐色層狀灰?guī)r和砂巖構(gòu)成，巖石致密堅硬[3]。該地層被區(qū)域性深大斷層F7切割，出露地層不全，呈東西長條分布。第三系巖層的巖性由紅色到黃褐色砂巖、黏土巖、砂礫巖和泥質(zhì)砂巖構(gòu)成，局部夾有石膏。前期的地質(zhì)勘探顯示，巖石的透水率為0.5～5.1 Lu，屬于弱-微透水性。隧洞圍巖中的Ⅱ-Ⅲ類圍巖約占19.8%；Ⅲ類圍巖約占46.1%；Ⅳ類圍巖約占24.2%；Ⅴ類圍巖約占9.9%。隧洞附近的地下水類型主要是裂隙潛水，其補(bǔ)給、徑流和排泄強(qiáng)烈，因此，應(yīng)該對F7斷層的地下水對施工的影響予以關(guān)注。

2最佳支護(hù)時機(jī)的計算原理2.1 確定最佳支護(hù)時機(jī)的原理

最大限度發(fā)揮圍巖的自承能力是新奧法的理論基礎(chǔ)，而最佳支護(hù)時機(jī)選擇是對于必須進(jìn)行襯砌的隧洞最大限度發(fā)揮圍巖自承能力的關(guān)鍵[4]。本次研究中的輸水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，部分洞段的自承力較低，因此，必須聯(lián)合采用多種支護(hù)方式和圍巖處理措施。

新奧法理論與傳統(tǒng)支護(hù)理論的主要區(qū)別在于圍巖本身的自承力。在該理論下圍巖的壓力并不全部視為作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的外荷載，而支護(hù)結(jié)構(gòu)只承擔(dān)自身無法平衡的剩余圍巖壓力。如何最大程度發(fā)揮圍巖的自承能力，減小支護(hù)荷載，使工程設(shè)計更為經(jīng)濟(jì)合理，是新奧法的核心所在[5]。

圍巖的自承能力并不是一成不變的，其受到圍巖屬性、結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征等眾多因素的影響。對特定的圍巖，其自承力與圍巖變形之間具有一定的關(guān)系規(guī)律[6]。眾多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，圍巖變形和支護(hù)荷載之間滿足如圖1所示的曲線，其中橫坐標(biāo)表示圍巖變形，縱坐標(biāo)表示支護(hù)力。由圖1可知，支護(hù)力隨圍巖變形的增大，呈現(xiàn)出先變小后變大的特征，而兩者之間的最小值就是圍巖自承力能夠得到最大發(fā)揮的點(diǎn)。其中，支護(hù)2的剛度

比支護(hù)1大，而圍巖穩(wěn)定之后，支護(hù)2的受力則比支護(hù)1低。由此可見圍巖的最佳支護(hù)時機(jī)應(yīng)是特征曲線的最低點(diǎn)處。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度作用圖

2.2 確定最佳支護(hù)時機(jī)的方法

上節(jié)對基于新奧法的最佳支護(hù)時機(jī)的原理進(jìn)行了闡述，但是依靠上述曲線和彈塑性理論并不能得到精確的解析解。本次研究試圖通過數(shù)值模擬對多種方案進(jìn)行對比分析，以尋求接近于上述最小支護(hù)荷載的最佳支護(hù)時機(jī)。

輸水隧洞的最佳支護(hù)時機(jī)的直觀指標(biāo)是圍巖的變形量，但是對通過對圍巖變形量進(jìn)行精確檢測以確定支護(hù)時機(jī)的方法在操作中有一定的難度[7]。因此，本次研究試圖通過尋找一種更適合實(shí)際施工現(xiàn)場的方式來解決上述問題。

在輸水隧洞的開挖過程中，隨著掌子面的推進(jìn)，后面的圍巖也在產(chǎn)生著變形[8]。在距離掌子面不同距離上的圍巖其開挖時間也有先后差異，其應(yīng)力經(jīng)受擾動、調(diào)整與重新分布的狀態(tài)也有所不同，導(dǎo)致圍巖的變形量也不同。所以，可以利用掌子面進(jìn)尺這一容易監(jiān)測的數(shù)據(jù)，來間接描述圍巖變形量，進(jìn)而描述對應(yīng)的最佳支護(hù)時機(jī)。實(shí)現(xiàn)方法主要有以下幾步：首先建立輸水隧洞的真三維模型，模擬隧洞的開挖過程，得到圍巖變形與掌子面之間關(guān)系的規(guī)律曲線；然后建立一個鋼拱架作用范圍內(nèi)的準(zhǔn)三維模型，對開挖后應(yīng)力釋放過程以及圍巖變形過程進(jìn)行詳細(xì)模擬，分析不同變形階段圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，通過多方案對比，獲得以圍巖變形量為指標(biāo)的最佳支護(hù)時機(jī)；最后，以兩種三維模擬分析圍巖變形過程，提出最佳支護(hù)時機(jī)對應(yīng)的掌子面距離。

3 工程實(shí)例

本次研究利用勝利水電站輸水隧洞出口段來說明最佳支護(hù)時機(jī)的具體計算過程，該洞段埋深300 m，灰?guī)r巖性，Ⅳ類圍巖，隧洞開挖截面為半徑3.5 m的圓形。

3.1 圍巖條件與計算參數(shù)

該洞段的一次支護(hù)采用φ25@1.5-3錨桿、15 C30噴混凝土和I20 b@100 cm鋼支撐支護(hù)。圍巖條件與計算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖條件與計算參數(shù)

3.2 降彈模法圍巖變形規(guī)律

在準(zhǔn)三維模型中，通過建立一個鋼拱架范圍內(nèi)的三維地質(zhì)模型，利用開挖巖體逐步能量釋放過程的等效方法，通過彈性模量不同比例降低對圍巖變形的影響進(jìn)行模擬。對開挖巖體的逐步能量釋放過程的控制方法很多，其中最常見的有以下兩種：一是首先計算出總的開挖荷載，然后將其分布施加到圍巖上；二是利用降低彈性法，對開挖巖體的彈性模量按比例逐步降低，獲得巖體能量逐步釋放的等效過程。在本次研究中擬采用降低彈模的方法對能量逐步釋放過程進(jìn)行控制。

利用準(zhǔn)三維模型降彈模法得到的隧洞圍巖變形量與彈模降低比例之間的關(guān)系曲線如圖2所示。圖中的橫坐標(biāo)表示開挖巖體彈模與原始彈模之間的比例關(guān)系，縱坐標(biāo)表示圍巖的位移值。從圖2的曲線可以看出，隨著比例系數(shù)的降低，圍巖變形逐步增大。顯然，利用該曲線可以獲得彈模降低比例所對應(yīng)的圍巖變形量。

圖2 圍巖位移值與降彈模比例關(guān)系的曲線

3.3 圍巖先期變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力關(guān)系

在準(zhǔn)三維模型的計算中，圍巖的支護(hù)采用如下基本思路：首先按一定比例降低開挖巖體的彈模，讓輸水隧洞的圍巖產(chǎn)生一定量的先期變形，同時釋放一部分能量，然后再采取支護(hù)措施。根據(jù)新奧法理論對隧洞開挖過程中的圍巖變形與支護(hù)時機(jī)的研究成果，如果圍巖的先期變形為零，那么支護(hù)荷載就與初始地應(yīng)力完全相等，這無疑對支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求最高；隨著先期變形的逐漸增大，開挖的圍巖會釋放相當(dāng)部分的應(yīng)力荷載，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就會逐漸減小，但是圍巖的最終變形量與塑性松動區(qū)也會呈變大趨勢；當(dāng)然圍巖的先期變形也不可無限增大，如果先期變形超過一定限度而支護(hù)過晚，不斷增大的塑性松動區(qū)就會導(dǎo)致圍巖破壞甚至塌落，同時過大的圍巖松動圈也會作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載上升。

通過對勝利水電站輸水隧洞出口段準(zhǔn)三維模型的計算分析，得到最終支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載與先期變形量之間的關(guān)系曲線如圖3所示。通過進(jìn)一步的比較分析得知：首先，圍巖變形量需要符合實(shí)際需求，不可出現(xiàn)面積過大的屈服區(qū)，錨桿長度要深入屈服區(qū)范圍外1 m左右，如果屈服區(qū)面積過大會造成錨桿失效，致使隧洞圍巖失穩(wěn)。因此，在勝利水電站輸水隧洞出口段，圍巖的先期變形量取8.92 cm為宜，也就是當(dāng)圍巖的變形量達(dá)到8.92 cm時進(jìn)行支護(hù)是合理的。

圖3 初期支護(hù)最大壓應(yīng)力與先期變形關(guān)系曲線

3.4 最佳支護(hù)時機(jī)的確定

建立真三維模型，對無支護(hù)條件下的開挖工況進(jìn)行模擬，研究掌子面進(jìn)尺與圍巖變形之間的對應(yīng)關(guān)系。

由真三維模型可以計算獲得如圖4所示的圍巖變形與掌子面之間的關(guān)系曲線。由關(guān)系曲線可知，在準(zhǔn)三維模型中圍巖先期變形的最佳值為8.92 cm，也就是相當(dāng)于真三維模型中掌子面前進(jìn)5.5 m時的圍巖變形。因此，掌子面前進(jìn)5.5 m時，對圍巖進(jìn)行支護(hù)較為合理。也就是說，該洞段的最佳支護(hù)時機(jī)為掌子面前進(jìn)5.5 m時進(jìn)行支護(hù)。

圖4 掌子面進(jìn)尺與圍巖位移量關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

在介紹新奧法支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，提出了輸水隧洞最佳支護(hù)時機(jī)的計算原理與計算方法。選取了勝利水電站輸水隧洞出口段作為實(shí)例，計算分析了該洞段的最佳支護(hù)時機(jī)，結(jié)論顯示當(dāng)掌子面進(jìn)尺為5.5 m時進(jìn)行支護(hù)最為合理。

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Timing analysis of water tunnel support based on New Austrian Tunneling method

WANG Hongwei

(WaterConservancyCivilEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shenyang110000,China)

The stability of surrounding rock after excavation of water conveyance tunnel was the key issue that affects the safety of engineering design and construction. It took the export section of Shengli Hydropower Station as a research object.This paper analyzed the optimal support time of the hole section by using the support time principle of New Austrian Tunneling method.

water conveyance tunnel; numerical simulation; support time

王宏偉(1987-)，男，遼寧桓仁人，助理工程師， 主要從事輸水隧洞施工工作。E-mail：vip100f@163.com。

U455.7

A

2096-0506(2017)01-0043-04