输水隧洞石膏岩不良地质段支护衬砌结构优化设计研究

王凯博

(博尔塔拉蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 833400)

1 工程背景

西北某引水工程年引水量2.9亿m3，设计输水流量10.91m3/s，项目区属于典型的侵蚀- 剥蚀中低山地貌，受到强风化作用的影响，输水隧洞沿线的冲沟发育，地形比较破碎。根据地表物探结果显示，存在长度不等的石膏段围岩分布，其中，K105+582～K105+907段石膏岩分布长度为325m，腐蚀等级为D级。鉴于熟石膏在水化重结晶过程中存在膨胀性，会对施工过程和支护结构造成危害，因此，通过石膏岩层的洞段应该使用抗硫酸盐水泥，并进行必要的抗溶和抗腐蚀处理。

2 研究段支护衬砌优化设计方案

2.1 石膏岩试验分析

输水隧洞在施工过程中，在K105+582～K105+907段掌子面遭遇石膏岩地层。鉴于该地层具有中～强膨胀性，同时硫酸根离子也会对混凝土和钢筋造成一定的腐蚀，因此，相关的设计和施工单位对现场提取的岩层样本进行实验室研究。试验结果显示，该地段的石膏岩虽然属于膨胀岩，但是相对于其他种类的膨胀岩围岩膨胀速率十分缓慢，完全膨胀需要几年的实践，并且最终膨胀变形约24～26cm，软化变形约10cm左右，因此需要二衬结构承担约0.75MPa的膨胀压力。另一方面，腐蚀试验结果也说明研究段的石膏岩对混凝土具有强腐蚀性。

2.2 支护衬砌优化方案

综合分析地质勘查结果以及石膏岩的补充实验成果，需要在原有的支护衬砌设计基础上，进行有针对性的调整，保证支护衬砌效果。基于上述分析，提出如下设计原则：加强输水隧洞围岩的超前支护、初支和二次衬砌，加深仰拱；采用高标号喷射混凝土与二次衬砌，提高混凝土的防腐蚀性等级到P8，进一步加强隧道的排水工程措施。

基于上述优化设计原则，提出如下具体处置对策：①在研究洞段开挖施工过程中要加强对围岩变形的监测工作。②要将预留变形量增加到40cm，其中包括厚度为20cm的变形缓冲层，并结合施工现场的实际膨胀变化情况进行适时调整。③利用Φ42小导管与R76自进式锚杆加强输水隧洞的超前支护。④进一步加强初期支护，利用I20b工字钢密排的方式进行研究段围岩的封闭支护，全周布置Φ25锚杆中空注浆，锚杆长度暂定为4.0m。⑤对输水隧洞的仰拱进行加深，以提高衬砌结构的承载力。⑥将二衬结构的厚度增加至70cm，以提高二衬结构强度，同时利用现场试验和监控数据确定二衬的最佳时机。研究段支护衬砌主要参数见表1。

表1 研究段支护衬砌结构优化设计参数表

2.3 优化设计方案施工要求

(1)在施工过程中，一旦掌子面开挖完毕要及时进行锚杆和喷射混凝土初期支护，避免围岩长时间悬空诱发大变形，同时也可以防止围岩与空气长时间接触导致石膏岩的风化和软化。

(2)在施工过程中要实时监控围岩变形并进行相应试验，以确定最佳二衬时机，一般掌握在围岩变形稳定在每日0.2mm时为宜。如果二衬时机过早，未完全释放的围岩应力将对二衬结构造成挤压变形，容易导致结构失稳甚至坍塌。

(3)施工过程中应该尽量减小对围岩的干扰，在采取无爆破开挖的同时，尽早封闭仰拱。

(4)鉴于石膏岩对水的敏感性，对部分含水段开挖过程中应该加强排水工作，最大限度降低围岩变形和底部隆起，对于发生的底部隆起可以采取加固注浆。

3 支护产期优化方案安全性分析

3.1 计算模型的构建

张黎明等学者针对摩尔-库伦材料进行研究，确定了求解安全系数的方法，其数学表达式如下：

(1)

式中，Ftr—围岩安全系数；τ—破坏面上的实际滑动力；s—滑裂面上的抗剪强度；c—岩体粘聚力；φ—内摩擦角；σ—结构面法向应力。

有限元强度折减法不仅可以模拟岩体和支护结构的共同作用，也可以对围岩岩体变形的逐步发展进行模拟，同时在进行安全系数的求解时并不需要对围岩滑动面的形状进行事先假定和条件划分，与传统的安全系数求法相比具有一定的优势。在实际的工程应用中，由于围岩的稳定性存在较多的影响因素，因此在判别标准方面也尚未形成统一的意见。本次研究中结合输水隧洞研究段的具体情况，认为地下厂房达到临界状态时将会发生位移突变，从而使能够正常收敛的计算过程不再具有收敛性。因此，在安全系数计算过程中不断降低岩体的强度指标，利用折减后的参数代替原参数计算围岩的稳定性，通过反复折减操作，直至围岩发生失稳破坏，此时利用公式(1)获得的安全系数即为地下洞室结构的安全系数。针对本次研究对象长度较长，因此可以利用平面应变单元进行分析，并建立研究段地质概化模型，对输水隧洞开挖和支护过程进行模拟，整个模型共划分为27940个计算单元，34938个计算节点。研究段原始计算模型如图1所示。

图1 研究段原始计算模型图

3.2 计算参数

结合该工程研究洞段相关地质资料和实验室试验成果，计算过程中涉及的围岩和支护衬砌结构的物理力学参数见表2。

3.3 计算结果分析

输水隧洞研究洞段围岩初期支护需要承担40%的围岩压力，利用上节构建的数值计算模型对围岩稳定安全系数进行计算，直至不再收敛为止。

表2 围岩和支护衬砌结构的物理力学参数

此时，围岩的安全系数为1.71，模拟结果如图2所示。因此，研究段初期支护完成后的围岩安全系数为1.71，大于施工设计中1.30的围岩安全系数要求，说明初支设计满足围岩稳定性评价标准。利用数值计算模型对二次衬砌后的围岩稳定安全系数进行计算，直至不再收敛为止，此时的围岩安全系数为1.82，模拟结果如图3所示。因此，研究段初期支护完成后的围岩安全系数为1.82，大于施工设计中1.30的围岩安全系数要求，说明二次衬砌设计满足围岩稳定性评价标准。

图2 初支等效应变计算结果

图3 二衬等效应变计算结果

4 结论

由于自然地质条件的复杂性和不可预测性，输水隧洞等水库工程选线过程中难以避免特殊地质段。因此，针对特殊地质段的围岩特点，对原工程施工设计方法进行变更和优化是十分必要的。文章以某引水工程石膏岩施工段为例，对开挖施工过程中的支护衬砌原方案进行优化设计，并利用数值模拟的方法进行优化方案的安全性分析，主要获得如下结论：

(1)综合分析研究洞段地质勘查和石膏岩的补充实验成果，对原有的支护衬砌设计进行针对性的调整，提出优化设计方案和相关设计参数。

(2)运用有限元强度折减法，对优化设计方案下的研究洞段初期支护和二次衬砌后的围岩安全系数进行计算，结果显示优化设计方案下的围岩安全系数完全满足评价标准要求，说明优化设计方案对研究洞段开挖施工的适宜性。