深埋输水隧洞围岩分区破裂监测及支护优化设计研究

刘广茹

(辽宁润中供水有限责任公司， 辽宁 沈阳 110000)

随着我国经济社会的迅速发展以及水利科技的不断进步，水利工程建设已经成为合理开发和利用水资源的重要基础，而大规模的水利工程开发必然会面对更复杂的工程地质情况[1]。当前，一些水利工程的地下洞室埋深不断增加，不仅需要面对更为复杂多变的围岩地质环境条件，更出现了一些特殊的岩体变形破坏现象[2]。其中，分区破坏就是其中比较特殊的一个种类。分区破坏是一种比较特殊的大埋深地下工程地质现象，主要表现为地下洞室工程开挖之后围岩破裂区和非破裂区交替出现的现象[3]。显然，分区破裂现象和传统的围岩变形破坏现象存在明显的不同，如果在工程建设中处置不当，将会导致围岩的大面积和大深度破坏，后果十分严重[4]。因此，分区破裂已经成为岩土工程领域的重点研究问题，引起国内外相关学者的广泛关注[5]。深入研究围岩分区破裂的产生条件和机制，并提出具体的控制措施，可以为相关工程建设提供重要的理论和实践依据[6]。从当前该领域的研究现状来看，主要是通过现场监测数据和数值模拟的方法揭示围岩分区破裂的内在机理和发展趋势，并提出相关的支护原则和方式[7]，但是在具体的支护模式和参数设计方面缺乏深入的探索，影响到研究成果在具体工程实践层面的应用。基于此，本次研究以具体的工程为依托，结合相关研究成果和工程实际，进行深埋输水隧洞围岩分区破裂支护优化设计研究，力求为工程建设提供实践层面的支持和帮助。

1 围岩分区破裂现状分析

1.1 工程背景

大风口水库位于辽宁省绥中县前卫镇境内的石河上游，集雨面积251km2，设计库容1.5亿m3，是一座集防洪、供水、灌溉、旅游等多种功能为一体的大(2)型水利枢纽工程[8]。为了解决绥中火电厂的用水需求，需要新建一条输水隧洞。新建的输水隧洞位于水库大坝的右坝端，水库原输水隧洞的右侧，属于深埋高地应力输水隧洞工程，隧洞围岩风化严重，自稳性较差[9]。

输水隧洞的断面为半圆拱形设计，其断面尺寸为280cm×240cm，支护结构的原始设计为采用锚网喷+锚索支护。其中，支护锚杆采用的是直径20mm、长2.2m的高强度螺纹钢，间距排列为80cm×80cm；钢筋网的直径为6mm，间距为20cm；喷层设计采用厚度为15cm的C20混凝土。锚索的规格为直径15.24mm的钢绞线，长度为6.2m，间距和排距均为1.2m。

1.2 围岩监测及数据分析

在施工过程中设计了A、B、C、D 4个监测断面，4个断面的间距均为15m，各监测断面均在开挖之后15d进行监测，获取围岩内破坏的相关数据。在监测过程中使用的主要仪器是KDVJ- 400钻孔电视成像仪[10]。该仪器主要由全景摄像探头、系统控制器、专用电视电缆以及彩色显示屏等4部分构成。采用的是高分辨率电视摄像头，可以将钻孔之后的内壁构造在彩色液晶显示屏上显示出来，其显示分辨率为0.1mm。监测过程中采用地质钻孔机钻孔，钻孔直径为73mm，每个监测断面钻5个孔，分别位于拱顶、左右拱肩以及左右侧壁中部。

根据监测结果和内部破坏资料，将破坏区监测超过0.5m的区域定义为破裂圈，而破裂圈之间的间隔则为完整区。对各断面的监测数据进行整理，监测数据从隧洞中心算起，获得各监测断面破裂分区范围，见表1。由表1可知，围岩内部共存在4个破裂圈。其中，隧洞表面1.5～3.0m的范围内为第一破裂圈，该破裂圈的围岩破坏最为严重，属于传统认知领域的围岩松动圈。该破裂圈之外为完整区，再往外属于第二破裂圈，其平均深度为3.5～4.0m，该破裂圈的围岩破坏程度也相对较大，主要表现为破碎和裂隙。而后又是围岩的完整区，之后在深度5～6m范围内出现第三破裂圈，该破裂圈的破坏程度相对较小。主要表现为裂缝；第四破裂圈的深度一般为7～8m，该破裂圈的围岩破坏程度最小，主要表现为裂隙。

从钻孔部位的地质岩性来看，主要包括厚度7～8 m厚的砂质泥岩和厚度2m左右的中砂岩，以及厚度0.7m左右的泥岩。由此可见，各个破坏圈层被没有处于岩层分层部位。同时，由于钻孔内的裂隙均与钻孔垂直，并近似圆形，说明破坏圈均为隧洞开挖扰动所致，需要进行支护加固。

表1 围岩破裂监测结果 单位：m

2 围岩支护加固工程设计优化

2.1 优化原理

在地下洞室工程施工过程中，分区破裂是业界所关注的重要课题。从本次工程围岩分区破裂的监测结果来看，采取原设计方案显然难以取得预期加固效果[11]。因此，结合工程实际以及相关学者在该领域的研究理论和实践，拟采用合理的浆液类型，采用中空分段螺旋式注浆锚管对各破裂区围岩进行分段、分区注浆，在有效提高破裂岩体黏聚力和内摩擦角的同时，充分发挥未破裂围岩圈层的作用，恢复输水隧洞围岩的整体性和强度，达到预期的支护效果和目标。

2.2 支护参数的确定

本次研究选用的是预紧力为60kN的锚杆，在对第k个围岩分区内的破裂区进行支护时，其锚固件的长度应该相同，并且不小于L，其计算公式如下：

(1)

对于围岩破碎区的注浆量，可以结合岩体破碎所产生的空间体积膨胀进行推导，其增加的体积就是注浆量，从而实现对围岩的定量化注浆，在保证注浆效果的同时尽量节省施工成本。

按照上述计算原理和公式，对各个围岩破坏分区的锚杆长度和注浆量进行计算，结果见表2。

表2 锚杆长度计算结果

按照表2中的计算结果，对锚杆进行布设设计，其示意图如图1所示。由于工程埋深较大且围岩质量较差，因此在锚杆加固过程中的锚杆托板部位可能会存在预应力集中问题，而过大的预应力会导致围岩单点凹陷的情况发生，最终造成锚杆预应力的明显损失。因此，采取锚杆+钢带的方式减小锚杆的预应力损失，其示意图如图2所示。

图1 锚杆布设示意图

图2 锚杆+钢带设计示意图

3 加固效果分析

为了进一步验证优化支护方案的加固效果，在工程现场对原始方案和优化方案进行现场试验，并对隧洞关键部位的位移进行监测，通过位移量的大小对加固效果进行评价和分析。试验过程中对隧洞的拱顶、以及左右拱腰3个关键部位进行位移监测，每个部位从表面向内部按照1m的间隔设置6个监测点，自表面向围岩内部编号分别为1、2、3、4、5、6。对开挖支护后的各个监测点的位移数据进行统计，结果见表3。由表3中的结果可知，优化方案下各个测点的位移值显著小于原始设计方案，说明优化方案在控制围岩位移变形方面具有十分显著的作用。另一方面，原始方案的围岩位移随着深度的增加存在比较明显的波动性，这显然和围岩内部存在多个破裂圈有关，而优化方案下的位移量随着深度的增加逐步减小，说明在优化方案下围岩的整体性得到显著提高，加固效果更为明显。

4 结语

大埋深围岩分区破裂现象目前已经引起广泛的关注，成为岩土工程领域的重点研究内容。此次研究以具体工程为背景，选择大埋深复杂地质环境洞

表3 位移试验数据统计表 单位：mm

段，采用钻孔电视成像仪对围岩内部的分区破裂情况进行监测分析，并以监测结果为依据，提出了优化支护的思路，并对相关参数进行具体计算。现场试验结果显示，采用优化方案之后，围岩的位移变形得到更好控制，有利于工程施工的顺利进行。此次试验研究对相关类似工程施工建设具有一定的指导意义。当然，深埋洞室工程围岩分区破裂的影响因素很多，在今后的研究中需要进行深为深入的探索，进一步研究地下水和温度场变化对围岩分区破裂的影响，使研究结论进一步完善。