(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司清湖電廠，遼寧 開原 112309)

1 工程概況

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。

2 試驗方案設(shè)計

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

3 優(yōu)化評定指標(biāo)

3.1 安全性指標(biāo)

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)。

3.2 經(jīng)濟性指標(biāo)

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)。

3.3 綜合性評價指標(biāo)

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

4 優(yōu)化結(jié)果極差分析

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。

5 工程應(yīng)用效果分析

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

6 結(jié) 語

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。