缅甸巴鲁昌3号水电站引水隧洞喷锚支护设计

2011-08-21张文涛

山西建筑 2011年34期

张文涛

地下工程喷锚支护的设计方法很多，特别是近30年来，有限元在模拟地下工程喷锚支护计算中应用越来越广泛，它能模拟围岩弹塑性、粘弹塑性及岩石层状和节理裂隙等力学特征，因而成

为分析地下工程的强有力手段。但是，由于岩体本构关系复杂、力学参数和边界条件很难准确确定，因此有限元计算受人为因素影响也比较大，结果带有一定的随机性。其他各种模拟方法也都有一定的适用性和局限性。所以，现在国内外大多数地下工程的喷锚支护设计仍以工程类比法为主。同时，对于开挖直径(宽度)小于10 m的隧洞，亦常采用弹性理论或弹塑性理论对工程类比结果进行复核计算，在施工过程中加强现场监测，根据实际情况调整支护参数，以确保隧洞支护方式安全、经济、合理。

1 工程类比法与理念计算法

1.1 工程类比法

工程类比法是建立在研究大量工程的实践经验、统计数字和观测成果基础上的，结合具体工程的地质条件，在类比、分析、判断的基础上进行新的工程设计。工程类比法通常分直接法和间接类比法两种。直接法一般根据围岩地质条件、洞室埋深、工程的形状与尺寸及施工条件等，将设计工程与上述条件基本相同的已建工程进行对比，由此确定支护类型及参数。间接法一般是根据现行规范，按照围岩分类结果确定各种参数。工程类比法的设计原则是:1)以已建工程的经验和实践为依据，进行综合分析比较，要搞清所设计工程的基本条件，不能生搬硬套;2)分清围岩破坏是属于整体稳定性问题还是局部稳定性问题;3)最终确定的支护参数还要接受监控设计的指导，必要时应进行修正。

1.2 理论计算法

理论计算法由来已久，对于洞室围岩稳定分析研究，20世纪50年代前，主要采用弹性和弹塑性理论分析计算围岩压力、变形及稳定性。自50年代以来，人们已认识到岩体的流变现象，于是又将流变理论引入到岩体力学，至70年代，岩体流变特性及岩体流变地压的研究已非常活跃。80年代以来，弹塑性和流变分析仍是主流。同时损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用等围岩力学模型已成为研究的热点。在工程实践中，当隧洞跨度及高度小于10 m时，通常采用弹性和弹塑性平衡理论对围岩变形及稳定进行分析。

弹塑性平衡理论主要有Fenner公式、Caquot公式、Kerisdl公式等，其计算理论均有假定条件及适用条件。当采用弹塑性平衡理论分析计算时，Fenner公式假定支护结构与围岩发生共同变形，通过计算塑性圈内的径向应力或径向位移量来确定围岩压力。使用Fenner公式困难在于塑性圈的半径不易确定，因为塑性圈的扩展范围是随着时间而变化的，而且塑性圈的形状并不总是规则的圆环。通常对于侧压力系数λ=1的隧洞，围岩压力计算结果接近实际情况。对于侧压力系数λ≠1的隧洞，围岩压力只能采用近似方法计算，所得结果与实际情况会有一定出入。

2 工程概况

2.1 工程简介

巴鲁昌3号电站(BLC3)位于缅甸国克耶邦境内，距其首府垒固的东南方向约25 km。BLC3为巴鲁昌河梯级开发的第三个电站项目，位于巴鲁昌河下游河段，工程任务以发电为主，电站装机容量2×26 MW，发电量334 GWh/年。

引水隧洞工程位于巴鲁昌河下游地区的右岸，上游端紧靠并连接着现有的巴鲁昌2号发电站(BLC2)尾水渠区域的下游，引水隧洞后接前池，前池由压力钢管直接接厂房。进水口底板高程确定为334.802 m，设计引用流量为39.5 m3/s，过水断面积14.65 m2，出口洞底高程331.044 m，隧洞总长4 321 m，最大埋深约220 m。隧洞断面形式为马蹄形(R2=2R1)，衬砌后断面尺寸为R2×R1=4.9 m ×2.45 m。

2.2 引水隧洞地质条件

隧洞沿线岩性为石灰岩和千枚岩。石灰岩的构成属于古生代三叠纪掸邦地区白云石群。千枚岩是属于前寒武纪且分布在石灰岩以下，大部分分布不一致。发电引水隧洞全线穿越上述两种岩层，比例各为一半。引水隧洞逐段断面比例中Ⅰ，Ⅱ类围岩断面约占隧洞长度10%，Ⅲ类的围岩断面约占隧洞长的30%;Ⅳ类的围岩断面约占隧洞长的40%;Ⅴ类的围岩断面约占隧洞长的20%，总计100%。

地下水位在洞线以下，对成洞条件无影响。

表1 引水隧洞围岩分类及地质参数

2.3 围岩分类

根据水利水电工程围岩分类法、Q系统分类法对巴鲁昌3号水电站引水隧洞围岩进行了分类，参照DL/T 5195-2004水工隧洞设计规范，初步确定锚喷支护类型及其参数表见表1。

3 工程类比法应用

本工程主要以工程类比间接法进行设计，主要依据DL/T 5195-2004水工隧洞设计规范、GB 50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范、SL 377-2007水电地下工程锚喷支护施工技术规范等相关规范及国外经常使用的Q系统法，对本工程隧洞围岩进行细分，并以此为依据，初步选择喷锚支护参数见表2。

表2 引水隧洞喷锚支护参数表

4 理论计算法复核计算

隧道围岩是否稳定决定于围岩应力重分布后的大小，包括环向应力和径向应力;其中环向应力是控制隧道破坏的主导因素。Ⅰ，Ⅱ类围岩稳定，喷薄层混凝土仅为防止进一步风化，Ⅲ类～Ⅴ类围岩需采取结构措施进行支护，现根据表2中初步选用的支护参数，分析计算Ⅲ类～Ⅴ类围岩的喷锚支护稳定性，主要计算成果见表3。

表3 隧洞围岩喷锚支护理论计算成果表

从表3计算结果可以得出，上述围岩在按照表2确定的支护参数支护后，围岩稳定性好。

隧道初期喷锚支护属柔性支护，合理的支护设计，应该是支护结构所产生的阻力能够允许围岩产生一定的塑性变形，又能够控制围岩的塑性变形，以充分发挥围岩的自承作用。其中隧道位移计算结果，亦可作为监测工作的依据之一，并根据监测结果调整支护参数，以达到最佳支护参数，确保隧洞支护方式安全、经济、合理。表2中的支护参数在理论上可根据围岩埋深及其他条件进一步的优化，但在施工过程中锚杆支护参数应尽量归并统一，以避免因支护参数过多，引起施工混淆。