某输水隧洞最优支护参数设计分析

马国文

摘 要：文章以新疆某输水隧洞工程为例，确定总体施工方案，以围岩位移量、塑性区范围面积为参考依据，分析得出最佳喷射混凝土层的厚度为100mm，锚杆长度2.5m，锚杆间距小于1.0m，可为类似工程提供必要的技术参考。

关键词：输水隧洞;最优支护参数;喷射混凝土层;锚杆

中图分类号：TV672+.1          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0157-02

1工程概况

新疆某输水隧洞工程全长0.8km，为无压隧洞，设计输水流量5.39m3/s，纵坡为1/1000，主要是解决当地生产及生活用水问题。结合其他类似工程经验，本项目设计隧洞断面为城门拱形，其中底宽3.5m，总高3.8m（其中拱高1.0m），内部采用混凝土衬砌。

2输水隧洞总体施工方案

输水隧洞施工工序：施工准备→隧洞开挖→初期支护→内部衬砌→灌浆加固→底部铺设→附属设备安装。

3隧洞最优支护参数设计分析

本文主要应用Flac3D数值模拟技术对Ⅳ类围岩条件下的支护结构最优参数进行对比分析。

3.1喷射混凝土最优参数分析

在其它支护参数一致的情况下，本项目参考其它工程经验，分别设计以下五种喷射厚度模拟方案：50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，然后分別对围岩位移量、围岩塑性区范围进行分析[1]。

3.1.1围岩位移量分析

①随着喷射厚度增加，围岩位移量总体均处于不断减小趋势;②喷射厚度每增加50mm，拱顶处围岩位移量大致均减小0.8～1.0mm，总体下降趋势不变;③当喷射厚度在50～150mm，侧墙围岩位移量基本保持在20mm不变，当喷射厚度在150～250mm，侧墙围岩位移量下降趋势开始增加，由19.5mm降至17mm，呈先缓后急的趋势。

在此建议：由于喷射混凝土厚度对围岩位移量影响比较小，盲目加大厚度并不能起到显著效果，因此设计厚度以封堵渗水、裂缝为标准即可，参考其他经验和本项目实际情况，以100～150mm厚度为宜[2]。

3.1.2围岩塑性区范围变化分析

围岩塑性区越大，则围岩破碎、裂隙发育越严重，越不利于支护工作，经研究可知：喷射混凝土层可有效缩小塑性区范围。表1是在不同喷射厚度下，隧洞一个标准断面围岩塑性区范围变化情况[3]。

由表1可知：①隧洞围岩塑性区主要为拉应力;②随着喷射厚度增加，塑性区面积在逐渐减小，但影响程度在逐渐减小。

在此建议：喷射混凝土由50mm增长至100mm，围岩塑性区总面积由56.61m2降至51.82m2，之后下降面积很小，因此最宜厚度为100mm。

3.2锚杆最优支护参数设计分析

3.2.1不同锚杆长度对支护效果影响分析

在其它支护参数一致的情况下，参考其它工程经验，分别设计了以下五种锚杆长度模拟方案：1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m，然后分别对围岩位移量、围岩塑性区范围进行分析[4]。

（1）围岩位移量分析：①随着锚杆长度增加，围岩位移量呈逐渐下降趋势，其中拱顶较侧墙下降趋势小，可见锚杆长度变化对拱顶围岩位移量影响很小;②当锚杆长度由1.0m增至2.0m时，侧墙围岩位移量变化很小，但由2.0m增至3.0m时，位移量变化减小趋势明显增加。

在此建议：本项目隧洞拱顶处锚杆长度设计1.0～1.5m即可，侧墙处锚杆长度设计2.5～3.0m为宜。

（2）围岩塑性区范围变化分析。表2是在不同锚杆长度下，本项目隧洞一个标准断面围岩塑性区范围变化情况。

由表2可知：①随着锚杆长度增加，围岩塑性区面积在逐渐减小，由51.12m2降至48.10m2;②当锚杆长度由2.5m增至3.0m时，塑性区面积减小趋势降低，可知其加固效果降低了。因此从该方面考虑，设计锚杆长度为2.5m为宜。

3.2.2不同锚杆间距对支护效果影响分析

在其他支护参数一致的情况下，本项目参考其他工程经验，分别设计了以下五种锚杆间距模拟方案：0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m，然后分别对围岩位移量、围岩塑性区范围进行分析[5]。

（1）围岩位移量分析：①随着锚杆间距减小，围岩位移量呈逐渐下降趋势，其中拱顶较侧墙下降趋势小，可见锚杆间距变化对拱顶围岩位移量影响较小;②当锚杆间距由0.75m降至0.5m时，侧墙围岩位移量出现了明显减小现象（由21.0mm降至19.3mm）。

在此建议：本项目隧洞拱顶处锚杆间距设计1.5m即可，侧墙处锚杆间距在满足成本及实际施工条件下，以0.5m为宜，不大于1.0m。

（2）围岩塑性区范围变化分析。表3和图1展示的是在不同锚杆间距下，本项目隧洞一个标准断面围岩塑性区范围变化情况。

由表3和图1可知：①随着锚杆间距减小，围岩塑性区面积在逐渐减小，由52.56m2降至50.67m2;②总体来看减小趋势比较平稳，幅度也比较小，可见间距这一参数对围岩塑性区影响不太大。因此从该方面考虑，设计锚杆间距为1.0m为宜。

4结语

输水隧洞支护技术对施工速度、工程质量、施工成本等均具有直接影响，本文通过结合其他工程经验、实际工况、Flac3D数值模拟等技术，分别得到了喷射混凝土层、锚杆等支护手段的一些重要参数。但是由于本文数据很大程度经过了理想化处理，而且为简化计算，默认隧洞围岩条件一致，因此肯定会出现个别地段不符合真实情况问题，所以本文结论可以作为一定的理论依据，不可作为完全的施工依据。

参考文献：

[1] 苏航，王云川，刘东.浅埋引水隧洞穿越第三系变形特征研究[J].人民珠江，2018，39（012）：152-156，178.

[2] 张虎元，孙逊，秦佳.隧洞支护效应的探讨[J].土木建筑与环境工程，2013（S2）：32-35.

[3] 薛文政，冯雁.南水北调中线工程北京段西甘池隧洞设计[J]. 南水北调与水利科技，2018（05）：43-47.

[4] 黄康鑫，王静，杨兴国，等.高地应力条件下输水隧洞断面选型及支护设计[J].水利学报，2015（04）：17-22.

[5] 刘乃飞，李宁，郭晓刚.及时支护隧洞变形规律研究及稳定性评价[J].水利水运工程学报，2019（05）：32-35.