(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司清湖電廠,遼寧 開原 112309)
遼西北供水工程的建設(shè)可以保障遼西北各主要城市的用水安全,促進區(qū)域水資源優(yōu)化配置和合理使用,實現(xiàn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。遼西北供水工程二期白石供水4標(biāo)段,位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內(nèi),主體工程為白石隧洞工程和錦凌分水口工程,總長約15.70km,主要工程包括主洞、支洞、錦凌分水口、金屬結(jié)構(gòu)安裝、道路、土地復(fù)墾以及相應(yīng)的臨時工程[1]。其中,白石隧洞(主洞)全長15690m,成洞斷面尺寸為4.60m×5.25m。該隧洞施工條件差,圍巖破碎,風(fēng)化嚴(yán)重,遇水變泥,極易出現(xiàn)坍塌滑層等現(xiàn)象。根據(jù)地層巖性以及相關(guān)工程施工經(jīng)驗,白石隧洞采用新奧法施工,在隧洞洞體開挖后主要采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架與錨桿作為初支手段,實現(xiàn)對圍巖變形的有效控制。澆筑混凝土作為隧洞的二次襯砌,為支護結(jié)構(gòu)提供安全儲備。通過充分發(fā)揮圍巖的自承能力,使輸水隧洞圍巖和支護結(jié)構(gòu)形成整體結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)支護方案往往源于經(jīng)驗和規(guī)范,為了保證工程質(zhì)量和施工安全,在設(shè)計方面往往偏于保守。因此,本研究選取白石隧洞S22+106~S22+198Ⅳ級圍巖洞段進行支護設(shè)計優(yōu)化研究,以期為同類型隧洞的施工設(shè)計提供借鑒。
正交試驗是一種針對多因素、多水平的試驗設(shè)計方法[2],其主要優(yōu)勢是可以通過盡可能少的試驗次數(shù),獲得滿意的試驗結(jié)果,可達到人力、物力和財力的有效節(jié)省[3]。本次研究基于輸水隧洞支護結(jié)構(gòu)的具體特點,設(shè)計5個水平、5個因素的25次試驗(其正交試驗見表1),其中的5個因素分別為噴層厚度(A)、錨桿數(shù)量(B)、錨桿長度(C)、錨桿直徑(D)和錨桿間距(E)。
表1 正交試驗
續(xù)表
根據(jù)地下洞室結(jié)構(gòu)圍巖安全性研究的相關(guān)成果[4-5],圍巖安全程度由下式計算:
(1)
式中Ui——圍巖安全程度;
Umax——U的最大值;
s1——上導(dǎo)凈空收斂值,mm;
s2——下導(dǎo)凈空收斂值,mm;
h——拱頂沉降值,mm;
uL1——凈空收斂極限位移值,這里取100mm;
uL2——拱頂沉降極限位移值,這里取100mm。
對于圍巖安全性指標(biāo),研究中利用Midas-GTS 有限元軟件,對研究洞段80m×20m×80m的區(qū)域建立三維有限元模型,按照上節(jié)設(shè)計的25中正交試驗方案進行模擬試驗,獲得各個方案的正交安全性指標(biāo)(見表2)。
研究中查閱了相關(guān)工程資料,并對原有的公式進行適當(dāng)改進,獲得如下圍巖支護經(jīng)濟性成本函數(shù)[6]:
(2)
式中J——經(jīng)濟性指標(biāo);
表2 正交試驗安全性指標(biāo)試驗結(jié)果
a——單位質(zhì)量錨桿造價,元;
b——單位厚度混凝土噴層造價,元;
c——每米支護鋼筋成本,元;
x1——噴層厚度,cm;
x2——錨桿數(shù)量,個;
x3——錨桿長度,m;
x4——錨桿直徑,mm;
x5——縱向間距,m;
ρ——錨桿密度, g/cm3。
表3 正交試驗支護經(jīng)濟性指標(biāo)
在實際計算過程中,將經(jīng)濟性程度指標(biāo)設(shè)計為Vi,并用圍巖支護經(jīng)濟性成本與所有成本中的最大值表示經(jīng)濟性程度,即:Vi=J/Jmax。計算過程中使用的參數(shù)值,以當(dāng)前的市場價格為準(zhǔn)。經(jīng)過計算,獲得正交試驗方案支護經(jīng)濟性指標(biāo)(見表3)。
在實際工程建設(shè)中,要獲得較高的安全系數(shù),往往需要加大工程投入,因此,為了獲得最佳支護方案,本次研究中引入了綜合評價指標(biāo),其定義式如下:
Hr=Ui×Vi
(3)
根據(jù)上述公式,計算獲取所有正交試驗方案的綜合性指標(biāo)(見表4)。
表4 正交試驗方案的綜合性指標(biāo)計算結(jié)果
極差的定義為對特定影響因素進行多水平試驗結(jié)果的最大差值[7],其計算公式如下:
R=maxKij-minKij
(4)
式中R——極差;
Kij——第i個水平下第j個因素試驗所對應(yīng)的結(jié)果均值。
極差的大小順序可以有效反映不同影響因素的影響程度[8],對本次研究而言,可以分析單一因素對優(yōu)化指標(biāo)的影響程度。
根據(jù)上文的計算結(jié)果,對綜合性指標(biāo)的極差進行計算,結(jié)果見表5。
表5 綜合性指標(biāo)極差分析結(jié)果
由表5計算結(jié)果可知,RE>RA>RD>RC>RB,因此,研究中選取的五個影響因素對輸水隧洞支護方案綜合性指標(biāo)的影響順序依次為錨桿縱向間距、混凝土噴層厚度、錨桿直徑、錨桿長度、錨桿數(shù)量。從各因素的因素水平與綜合總指標(biāo)之間的關(guān)系可以看出,輸水隧洞圍巖支護綜合指標(biāo)會隨著噴層厚度、錨桿長度和錨桿縱向間距的增大而增大;隨著錨桿數(shù)量的增加,輸水隧洞圍巖支護的綜合指標(biāo)會呈現(xiàn)出先升后降的變化特征;而輸水隧洞圍巖支護綜合指標(biāo)隨著錨桿直徑的增大而處于穩(wěn)定下降態(tài)勢。由于綜合性指標(biāo)越小方案越優(yōu),因此,最佳方案為A1B3C1D5E1。在該方案下,圍巖支護體系中的噴射混凝土為C25混凝土,厚度10cm,錨桿數(shù)量11個、錨桿長度1.50m、錨桿直徑26cm、錨桿縱向間距0.60mm。優(yōu)化設(shè)計后的方案價格總和為3809.16元,相比4853.60元的原設(shè)計方案價格總和,可以節(jié)省費用約22%,優(yōu)化效果十分顯著。
本次研究中,按照上述優(yōu)化設(shè)計方案,進行了縱向長度為5m的現(xiàn)場試驗,試驗樁號為S22+106~S22+111。在試驗過程中對監(jiān)測斷面上的上導(dǎo)收斂位移和拱頂沉降位移數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,并繪制出位移曲線和變化速率曲線(見圖1和圖2)。由圖1可知,試驗洞段上導(dǎo)凈空收斂的最終位移值為-12.30mm,拱頂沉降的最終位移值為-10.21mm,上述數(shù)值均遠(yuǎn)小于100mm的極限位移值。由圖2可知,在前15天,上導(dǎo)凈空收斂還是拱頂沉降變化速率較大,之后逐步趨于穩(wěn)定,說明優(yōu)化方案具有良好的支護效果。
圖1 監(jiān)測斷面位移曲線
圖2 監(jiān)測斷面位移速率曲線
本文以遼寧省遼西北供水工程二期白石隧洞建設(shè)工程為例,利用正交試驗和極差分析方法,對輸水隧洞支護設(shè)計方案進行優(yōu)化研究。結(jié)合相關(guān)研究成果和研究洞段支護特點,提出正交試驗的具體方案;基于圍巖安全性指標(biāo)和支護經(jīng)濟性指標(biāo),提出了圍巖支護方案綜合性評價指標(biāo),為支護方案優(yōu)化提供了理論支持;以綜合性評價指標(biāo)的計算成果為依據(jù),利用極差分析法獲得最佳支護方案,可以在保證安全性的前提下,節(jié)省22%的投資。
現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示優(yōu)化方案具有良好的支護效果,可在工程建設(shè)中推廣使用。