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        輸水隧洞石膏巖不良地質(zhì)段支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

        2019-12-09 02:00:02王凱博
        水利規(guī)劃與設(shè)計 2019年11期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形優(yōu)化

        王凱博

        (博爾塔拉蒙古自治州水利水電勘測設(shè)計院,新疆 博樂 833400)

        1 工程背景

        西北某引水工程年引水量2.9億m3,設(shè)計輸水流量10.91m3/s,項目區(qū)屬于典型的侵蝕- 剝蝕中低山地貌,受到強(qiáng)風(fēng)化作用的影響,輸水隧洞沿線的沖溝發(fā)育,地形比較破碎。根據(jù)地表物探結(jié)果顯示,存在長度不等的石膏段圍巖分布,其中,K105+582~K105+907段石膏巖分布長度為325m,腐蝕等級為D級。鑒于熟石膏在水化重結(jié)晶過程中存在膨脹性,會對施工過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)造成危害,因此,通過石膏巖層的洞段應(yīng)該使用抗硫酸鹽水泥,并進(jìn)行必要的抗溶和抗腐蝕處理。

        2 研究段支護(hù)襯砌優(yōu)化設(shè)計方案

        2.1 石膏巖試驗分析

        輸水隧洞在施工過程中,在K105+582~K105+907段掌子面遭遇石膏巖地層。鑒于該地層具有中~強(qiáng)膨脹性,同時硫酸根離子也會對混凝土和鋼筋造成一定的腐蝕,因此,相關(guān)的設(shè)計和施工單位對現(xiàn)場提取的巖層樣本進(jìn)行實驗室研究。試驗結(jié)果顯示,該地段的石膏巖雖然屬于膨脹巖,但是相對于其他種類的膨脹巖圍巖膨脹速率十分緩慢,完全膨脹需要幾年的實踐,并且最終膨脹變形約24~26cm,軟化變形約10cm左右,因此需要二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)約0.75MPa的膨脹壓力。另一方面,腐蝕試驗結(jié)果也說明研究段的石膏巖對混凝土具有強(qiáng)腐蝕性。

        2.2 支護(hù)襯砌優(yōu)化方案

        綜合分析地質(zhì)勘查結(jié)果以及石膏巖的補充實驗成果,需要在原有的支護(hù)襯砌設(shè)計基礎(chǔ)上,進(jìn)行有針對性的調(diào)整,保證支護(hù)襯砌效果?;谏鲜龇治觯岢鋈缦略O(shè)計原則:加強(qiáng)輸水隧洞圍巖的超前支護(hù)、初支和二次襯砌,加深仰拱;采用高標(biāo)號噴射混凝土與二次襯砌,提高混凝土的防腐蝕性等級到P8,進(jìn)一步加強(qiáng)隧道的排水工程措施。

        基于上述優(yōu)化設(shè)計原則,提出如下具體處置對策:①在研究洞段開挖施工過程中要加強(qiáng)對圍巖變形的監(jiān)測工作。②要將預(yù)留變形量增加到40cm,其中包括厚度為20cm的變形緩沖層,并結(jié)合施工現(xiàn)場的實際膨脹變化情況進(jìn)行適時調(diào)整。③利用Φ42小導(dǎo)管與R76自進(jìn)式錨桿加強(qiáng)輸水隧洞的超前支護(hù)。④進(jìn)一步加強(qiáng)初期支護(hù),利用I20b工字鋼密排的方式進(jìn)行研究段圍巖的封閉支護(hù),全周布置Φ25錨桿中空注漿,錨桿長度暫定為4.0m。⑤對輸水隧洞的仰拱進(jìn)行加深,以提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載力。⑥將二襯結(jié)構(gòu)的厚度增加至70cm,以提高二襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時利用現(xiàn)場試驗和監(jiān)控數(shù)據(jù)確定二襯的最佳時機(jī)。研究段支護(hù)襯砌主要參數(shù)見表1。

        表1 研究段支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)表

        2.3 優(yōu)化設(shè)計方案施工要求

        (1)在施工過程中,一旦掌子面開挖完畢要及時進(jìn)行錨桿和噴射混凝土初期支護(hù),避免圍巖長時間懸空誘發(fā)大變形,同時也可以防止圍巖與空氣長時間接觸導(dǎo)致石膏巖的風(fēng)化和軟化。

        (2)在施工過程中要實時監(jiān)控圍巖變形并進(jìn)行相應(yīng)試驗,以確定最佳二襯時機(jī),一般掌握在圍巖變形穩(wěn)定在每日0.2mm時為宜。如果二襯時機(jī)過早,未完全釋放的圍巖應(yīng)力將對二襯結(jié)構(gòu)造成擠壓變形,容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至坍塌。

        (3)施工過程中應(yīng)該盡量減小對圍巖的干擾,在采取無爆破開挖的同時,盡早封閉仰拱。

        (4)鑒于石膏巖對水的敏感性,對部分含水段開挖過程中應(yīng)該加強(qiáng)排水工作,最大限度降低圍巖變形和底部隆起,對于發(fā)生的底部隆起可以采取加固注漿。

        3 支護(hù)產(chǎn)期優(yōu)化方案安全性分析

        3.1 計算模型的構(gòu)建

        張黎明等學(xué)者針對摩爾-庫倫材料進(jìn)行研究,確定了求解安全系數(shù)的方法,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

        (1)

        式中,F(xiàn)tr—圍巖安全系數(shù);τ—破壞面上的實際滑動力;s—滑裂面上的抗剪強(qiáng)度;c—巖體粘聚力;φ—內(nèi)摩擦角;σ—結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力。

        有限元強(qiáng)度折減法不僅可以模擬巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用,也可以對圍巖巖體變形的逐步發(fā)展進(jìn)行模擬,同時在進(jìn)行安全系數(shù)的求解時并不需要對圍巖滑動面的形狀進(jìn)行事先假定和條件劃分,與傳統(tǒng)的安全系數(shù)求法相比具有一定的優(yōu)勢。在實際的工程應(yīng)用中,由于圍巖的穩(wěn)定性存在較多的影響因素,因此在判別標(biāo)準(zhǔn)方面也尚未形成統(tǒng)一的意見。本次研究中結(jié)合輸水隧洞研究段的具體情況,認(rèn)為地下廠房達(dá)到臨界狀態(tài)時將會發(fā)生位移突變,從而使能夠正常收斂的計算過程不再具有收斂性。因此,在安全系數(shù)計算過程中不斷降低巖體的強(qiáng)度指標(biāo),利用折減后的參數(shù)代替原參數(shù)計算圍巖的穩(wěn)定性,通過反復(fù)折減操作,直至圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞,此時利用公式(1)獲得的安全系數(shù)即為地下洞室結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。針對本次研究對象長度較長,因此可以利用平面應(yīng)變單元進(jìn)行分析,并建立研究段地質(zhì)概化模型,對輸水隧洞開挖和支護(hù)過程進(jìn)行模擬,整個模型共劃分為27940個計算單元,34938個計算節(jié)點。研究段原始計算模型如圖1所示。

        圖1 研究段原始計算模型圖

        3.2 計算參數(shù)

        結(jié)合該工程研究洞段相關(guān)地質(zhì)資料和實驗室試驗成果,計算過程中涉及的圍巖和支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

        3.3 計算結(jié)果分析

        輸水隧洞研究洞段圍巖初期支護(hù)需要承擔(dān)40%的圍巖壓力,利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計算模型對圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計算,直至不再收斂為止。

        表2 圍巖和支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

        此時,圍巖的安全系數(shù)為1.71,模擬結(jié)果如圖2所示。因此,研究段初期支護(hù)完成后的圍巖安全系數(shù)為1.71,大于施工設(shè)計中1.30的圍巖安全系數(shù)要求,說明初支設(shè)計滿足圍巖穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)。利用數(shù)值計算模型對二次襯砌后的圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計算,直至不再收斂為止,此時的圍巖安全系數(shù)為1.82,模擬結(jié)果如圖3所示。因此,研究段初期支護(hù)完成后的圍巖安全系數(shù)為1.82,大于施工設(shè)計中1.30的圍巖安全系數(shù)要求,說明二次襯砌設(shè)計滿足圍巖穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)。

        圖2 初支等效應(yīng)變計算結(jié)果

        圖3 二襯等效應(yīng)變計算結(jié)果

        4 結(jié)論

        由于自然地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不可預(yù)測性,輸水隧洞等水庫工程選線過程中難以避免特殊地質(zhì)段。因此,針對特殊地質(zhì)段的圍巖特點,對原工程施工設(shè)計方法進(jìn)行變更和優(yōu)化是十分必要的。文章以某引水工程石膏巖施工段為例,對開挖施工過程中的支護(hù)襯砌原方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行優(yōu)化方案的安全性分析,主要獲得如下結(jié)論:

        (1)綜合分析研究洞段地質(zhì)勘查和石膏巖的補充實驗成果,對原有的支護(hù)襯砌設(shè)計進(jìn)行針對性的調(diào)整,提出優(yōu)化設(shè)計方案和相關(guān)設(shè)計參數(shù)。

        (2)運用有限元強(qiáng)度折減法,對優(yōu)化設(shè)計方案下的研究洞段初期支護(hù)和二次襯砌后的圍巖安全系數(shù)進(jìn)行計算,結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計方案下的圍巖安全系數(shù)完全滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求,說明優(yōu)化設(shè)計方案對研究洞段開挖施工的適宜性。

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