输水隧洞支护施工及围岩稳定性分析

任志强

(江西省水利水电建设集团有限公司，南昌 330000)

1 工程概况

某地区集中供水工程第2水源工程从分水江流域取水，通过输水隧洞将水引至W水库，为下游原水输水工程提供优质饮用水，本供水工程为I等工程。工程包括进水口、水库输水建筑物、分水口、闲林出口流量控制及调压设施、水库取水口等建筑物。输水隧洞-W水库段输水线路长约111.6km，其中某标输水隧洞混凝土衬砌段长约102.39km，浅埋隧洞钢衬段(不含跨江钢衬段)长约4.02km，线路跨分水江穿江隧洞段长约2.56km，跨倒虹吸管长约0.83km，输水线路过小溪流处埋管段长约1.80km。隧洞沿线出露地层主要为古生界和中生界，并分布有自震旦系至白垩系地层，并以陆相及海相的沉积岩、火山碎屑岩为主。地质勘查结果表明，该输水工程跨越数个地貌构造单元，项目区内褶皱构造与断裂构造均发育，与工程施工直接相关的是由20余个单体向背斜组成华埠-新登复向斜，且均属于长轴至准线状褶皱。

该标隧洞上覆山体厚度在100-300m之间，围岩岩性以长石石英岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、长石岩屑石英砂岩、含砾石英砂岩为主，夹不稳定的砂质泥岩、粉砂岩等薄层。围岩类别为Ⅱ-Ⅲ类，基本稳定，但局部稳定性差；部分洞段断裂构造发育，围岩强度不足，Ⅳ类围岩较多，不稳定，掉块及坍塌发生的可能性较大，必须加强施工支护，确保施工安全。

2 输水隧洞支护施工方案变更

2.1 支护方案变更

按照原设计，该供水工程水源工程隧洞Ⅳ类围岩初期支护采用锚杆钢筋网喷射混凝土形式，考虑到隧洞围岩几乎全部为Ⅳ类围岩且断层破碎带发育，为提升围岩稳定性，将原设计初支方案变更为锁脚锚杆+系统砂浆锚杆钢筋网+混凝土喷射的联合支护形式；Ⅲ类围岩初支方案不作变更。Ⅳ类偏好围岩锁脚锚杆长300cm，D25自进式中空锚杆直径25mm、长5m且随机布置；系统砂浆锚杆直径25mm，长度分4.5m和2.5m两种，长短间隔按照梅花形布置，间排距1.0m；中空注浆锚杆直径25mm，长度有4.5m和2.5m两种，长短间隔并按梅花形布置，间排距1.0m；挂Ф8mm@15cm×15cm钢筋网；喷涂厚度20cm的C25混凝土；I20a钢拱架支撑按1.0m间距布置；C30W8F50钢筋混凝土衬砌厚度45cm。Ⅳ类偏差围岩自进式中空锚杆设计长度5m，间距0.4m，排距3m；系统砂浆锚杆直径25mm，长度为4.5m和2.5m，长短间隔并按照梅花形布置，间排距1.0m；中空注浆锚杆直径25mm，长度分4.5m和2.5m两种，长短间隔按照梅花形布置，间排距1.0m；挂Ф8@15cm×15cm规格的钢筋网；喷厚度20cm的C25混凝土；I20a钢拱架支撑间距1.0m；C30W8F50钢筋混凝土衬砌厚度45cm。

结合该输水隧洞地质勘探资料，隧洞围岩基本为Ⅳ类围岩，且存在断层破碎带，稳定性不良，为此，初支方案变更设计主要划分为Ⅳ类围岩段和断层破碎带。结合地勘报告并参照原施工图隧洞断面图不同围岩桩号的划分，将该输水隧洞围岩类别根据桩号进行进一步细分。标段1：K0+006-K0+095段为断层破碎带，长度89m；K0+096-K0+578段为Ⅳ类围岩段，长482m。标段2：K8+420-K8+485段为为断层破碎带，长65m；K8+486-K8+541段为Ⅲ类围岩段，长55m；K8+542-K8+638段为Ⅳ类围岩段，长96m；K8+639-K8+697.3段为断层破碎带，长58.3m。结合以上地质情况，该输水隧洞Ⅳ类围岩段初支方案从锚杆钢筋网喷射混凝土变更为带钢拱架的锚杆钢筋网+喷射混凝土联合支护，以使初支荷载能力显著增强。支护方案变更后所增设的钢拱架总装结构具体见图1。

图1 增设的钢拱架总装结构图

2.2 计算模型

利用Midas GTS岩土和隧道结构设计有限元分析软件构建不考虑系统锚杆作用的围岩弹性支撑模型，荷载计算结果表明，围岩结构自重25kN/m3，按照深埋荷载所计算出的全部荷载值86kPa作为垂直荷载加载，水平荷载取30kPa[1]。围岩初期支护根据所承担的全部荷载计算，跨拱部中位最大弯矩25.2kN·m，以每延米所对应参数为初期支护参数，即每延米初期支护结构所承担的弯矩最大值为25.2kN·m。为使分析过程简化，初期支护结构承载力按照纯弯构件计算[2]。根据设计，初支断面20cm，采用尺寸20cm×20cm的Φ8mm单层钢筋网配合C20混凝土，100cm钢拱架及14工字钢，简化为高20cm、宽100cm的型钢混凝土断面，并在断面内配置一榀14工字钢。忽略型钢混凝土截面内钢筋网及混凝土的影响，仅考虑14工字钢的作用，进行工字钢承载能力验算。根据验算结果，工字钢所承担的弯矩为25.2kN·m/榀，拉压应力最大值为247MPa，比钢材应力允许值300MPa小。考虑到该输水隧洞围岩特征即断层破碎带分布情况，出于工程安全方面的考虑，14工字钢钢拱架应当按照75cm间距设置。

3 隧洞断面形状变更

3.1 变更思路

隧洞轴线采用原设计方案，隧洞横断面形状则从原圆形断面变更为马蹄形断面。该输水隧洞主要依据新奥法原理采用复合衬砌形式，借助初期支护快速支护功能达到控制围岩变形、提升围岩结构承载能力的目的[3]。Ⅳ类围岩段的二衬施工紧跟初支进行，以便分担大部分围岩荷载。然而该输水隧洞二衬结构后内净宽为直径2.0m的圆形断面，若紧跟初支实施二衬施工，则隧洞内无法展开机械化操作。为此，在确保隧洞过流断面和原设计一致且隧洞结构经济安全、断面结构施工可行的基础上，将隧洞断面形状从圆形变更为马蹄形。

该供水工程等级为I等，包括事故检修闸、控制闸、调压井、分水口、出口流量控制等在内的输水隧洞主要建筑物均额1级建筑物设计，防洪标准为30a一遇设计、50a一遇校核，隧洞断面形式变更后以上设计标准均不变。

Ⅳ类围岩二衬按照4m覆土厚度进行强度校核，并应适当简化Ⅳ类围岩二衬结构，采用梁系单元进行有限元分析。简化后的模型具体见图2。根据分析，该输水隧洞最不利受力位置在仰拱中心，弯矩24.75kN·m，设计衬砌厚度为30cm，双侧均按照0.6%的最小配筋率配Φ16mm@20cm主筋，对应的承载力为61.54kN·m，符合承载力要求。

图2 简化后的模型图

3.2 隧洞水力计算

该输水隧洞粗糙系数的计算与输水管道粗糙系数计算相同，对于非圆形截面管道，当量直径：

de=4A/x

(1)

式中：A为有效截面积，m2，x为湿周。

沿程阻力损失：

hf=λlv2/de2g

(2)

式中：λ为沿程阻力系数；l为输水隧洞管段长度，m；v为断面流速均值，m/s；g为重力加速度，m/s2。

调整后的马蹄形隧洞当量直径取2.0m，与圆直径2.0m的圆形隧洞当量直径一致，原圆形隧洞水力损失0.63m，而隧洞横断面形状变更为马蹄形隧洞形式后隧洞水力损失降至0.59m，可见，隧洞横断面形状变更后并不影响隧洞功能；应用带钢拱架锚杆钢筋网+喷射混凝土的联合支护技术能使围岩结构强度显著提升，应力水平改善，屈服面积缩减，围岩结构稳定性大大提升。

4 结 论

该供水工程输水隧洞变更后的锁脚锚杆+系统砂浆锚杆钢筋网+喷射混凝土的联合支护形式是当前水工隧洞中较为常见的柔性支护技术，其能将原被动型的支护结构转化为主动性支护，且支护结构将会与所支护围岩形成整体，共同承力。该输水隧洞所采用的联合支护结构与围岩间的接触面积大，并能改善围岩负荷分布以及支护结构与围岩的作用效；虽然初期临时支护后围岩仍会表现出一定的变形，但这种支护变形将转变为工程力和围岩承载力，起到避免松动并最大程度发挥围岩塑性区承载作用的目的。