输水隧洞初期支护方案选择参数优化研究_马晓彤.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，马晓彤输水隧洞初期支护方案选择参数优化研究水利科学与寒区工程，（）：输水隧洞初期支护方案选择参数优化研究马晓彤（朝阳市阎王鼻子水库工程建设管理局，辽宁 朝阳 ）摘要：复杂地质条件下的输水隧洞施工要求较高，需要对施工方法和参数进行科学设计。文章以辽宁省某重点输水工程输水隧洞为例，通过对各种支护方法的优势和不足进行对比分析，确定采用复合衬砌支护方案，然后结合理论计算和工程经验确定了初支系统的结构参数。工程实践显示，此次设计的施工方法和初支参数科学、合理，与工程实际较为适合。关键词：输水隧洞；支护方案；支护参数中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：马晓彤（），女，辽宁朝阳人，工程师，主要从事水利工程建设管理工作。：。工程背景辽宁省某重点输水工程为辽宁省大型跨流域输调水工程，对解决辽西北地区的用水问题发挥十分关键的作用。该工程包括 的输水隧洞和 的输水管线，总长度 。该工程的设计年输水量为 亿，受益人口 万人。由于该工程输水隧洞的洞线长、围岩地质构造十分复杂且埋藏深度不一，在施工中采用 和钻爆法相结合的施工工艺。其中，输水隧洞二标段 洞段埋深较大，最大埋深 ，需要穿越条褶皱带和条平移断层，岩体破碎程度较高且地下水发育，为典型的高地应力区，在施工开挖过程中极有可能出现岩爆现象。因此，对其开挖过程中的围岩加固方案进行研究是十分必要的。支护方案的选择在地下洞室工程开挖之后，周围的岩土地层原有的应力分布平衡将被打破，并导致围岩产生程度不同的变形。一旦围岩的累积变形量达到围岩破坏的极限，围岩岩体就会破裂。因此，在隧洞开挖施工过程中，必须要对围岩进行科学、合理的支护，否则就会严重影响隧洞施工和运行期间的安全稳定性。从当前的地下洞室工程开挖支护施工来看，主要有内部支护、外部支护和混合支护等三种不同的方式。其中，比较常见的外部支护方式主要由整体或拼装混凝土支护、喷射混凝土支护等；比较常见的内部支护优锚杆支护和锚喷支护等方式；混合支护则是综合运用外部和内部支护的一种围岩支护形式。对上述常用的支护方式的优势和不足进行对比分析，如表所示。表各种支护方案的优势和不足对比支护方案优势不足直墙式整体混凝土衬砌衬砌结构具有良好的整体和受力性，支护效果好防水和防潮性能不足，需要有较大的开挖量，后期维护和检修困难，抵御侧向压力的能力不足曲墙式整体混凝土衬砌衬砌结构具有良好的整体和受力性，抵御侧向压力的能力较好，一般适用于岩体的破碎程度较高，地质环境相对较差，同时地下水比较发育的地质环境施工过程比较复杂，对施工技术的要求相对较高，需要有较高的施工精度和施工质量续表支护方案优势不足装配式衬砌衬砌结构以混凝土预制构件的方式进行异地生产和养护，仅需要在施工现场进行拼装，因此不需要养护时间即可发挥围岩承压作用。其主要优势是可以节省支撑材料和劳动力，在施工工期方面也有明显优势需要隧洞内部有足够的拼装空间，在衬砌结构的预制构件制备过程中必须要有良好的精度控制水平；由于衬砌结构存在较多的裂缝，防水比较困难，不利于在地下水发育的工况下使用喷锚支护该支护方式可以充分发挥输水隧洞围岩的自承能力，可以有效利用开挖之后的空间，施工的安全性和效率可以得到有效保证，可以适用于软弱和膨胀性地层设计参数相对比较单一，施工条件相对比较恶劣，会对隧洞的环境造成比较大的影响，喷射混凝土的施工质量不易检查和控制复合式衬砌该支护方式的施工工艺比较完善，适应性好，符合隧洞衬砌结构的力学变化过程，可以获得较高的衬砌质量，后期管理维护简单，可以获得良好的防水效果施工工艺相对比较复杂，需要较高的成本投入由背景工程的实际情况来看，直墙式整体衬砌结构防水性较差，需要较大的超挖量，不适合工程现场要求；曲墙式衬砌施工困难复杂，对背景工程而言，难以有效保证其施工的精度和质量，因此也不适合；鉴于施工现场的空间条件和地下水发育情况，也不适合采用装配式衬砌；复合式衬砌和喷锚支护相比，复合式衬砌不仅可以满足研究洞段开挖支护施工中的初支施作及时，刚度小、易变性的实际需求，同时还可以保证衬砌结构和围岩的密切接触，从而实现对围岩的有效保护和加固，在二次衬砌完成之后，其内表面平整光滑，可以有效防止运行期间的外层风化，提高工程的耐久性。由此可见，复合式衬砌不仅可以发挥喷锚支护的优势，同时还可以发挥二次衬砌的可靠性，因此研究洞段在支护形式的选择方面，推荐使用复合式衬砌。初支结构参数的计算 围岩压力分担比例根据研究洞段式开挖之后的实测数据，在隧洞开 挖 之 后 围 岩 的 松 动 圈 范 围 一 般 在 。根据相关的统计数据和工程经验，级围岩的 松 动 圈 约 ；级 围 岩 的 松 动 圈 约 。为了保证施工和运行期间的安全性和稳定性，应该选择数据较大的一组作为相关参数选择的主要依据，确定初次支护和二次衬砌的分担比例，如表所示。根据工程经验，将研究洞段的初次衬砌和二次衬砌的围岩压力分担比例设计为，结合研究洞段的地质资料，确定初次衬砌的荷载为 ，并按照上述值设计复合衬砌结构的设计参数。表研究洞段围岩压力分担比例围岩等级围岩压力分担比例围岩和初期支护二次衬砌级 级 初支参数的计算锚杆设计的基本理论为压缩拱理论。按照该理论，需要对单根锚杆施加的锚固力，并形成沿着隧洞周围分布的原型加固区。在锚杆群的设计过程中，当锚杆之间的距离适当时，各个锚杆可以在围岩中形成相互重叠和交叉的加固区，由此形成的锚固层极为压缩拱。其中，矩形锚杆加固区的压缩拱示意图如图。其中，为锚杆的有效长度，为锚杆加固拱的厚度，为锚杆的间排距，为锚杆的加固角。图矩形锚杆加固区的压缩拱示意图第期马晓彤输水隧洞初期支护方案选择参数优化研究在通常情况下，为了保证计算的简便性，加固角一般取 。限于篇幅，这里以级围岩为例进行计算。根据背景工程的实际情况，松动圈厚度为 ，其对应的压缩拱的厚度为 ，根据工程类比法，可以确定锚杆的间距和排距的适宜值为 ，呈正方形布置。锚杆的长度值为 ，由于工程设计中拟采用树脂锚杆，锚固段的长度应为 ，锚喷的厚度为 ，因此锚杆的最终长度为 。按照锚杆施加预应力和 采 用 高 强 钢 筋 计 算，锚 杆 的 直径，鉴于在实际工程应用中，锚杆不仅要承受预应力，还需要承受围岩荷载，因此要提高一个等级，取直径为 的螺纹钢锚杆。在钢筋网的设计方面，一般需要按照构造要进行设计，因此钢筋的直径应为。对于背景工程，结合工程经验选取钢筋。根据工程实践经验，如果钢筋网的间距 ，会造成较大的喷射混凝土回弹，并造成钢筋网和壁面之间出现较多的空洞，不利于保证混凝土的密实度；如果钢筋网的间距 ，则钢筋在钢筋网喷射混凝土中的作用就会显著消弱，因此，钢筋网的间距应该在 之间，结合背景工程围岩破碎度较高的实际情况，设定 的钢筋网。混凝土喷层主要起到的作用是柔性让压，因此喷射混凝土的厚度不易太薄和太厚，如果太薄不利于发挥其作用，太厚会造成材料浪费。根据工程经验，喷射混凝土 的 厚 度一 般 为 ，结合背景工程的实际情况，对级围岩洞段设计厚度为 、强度为 的喷射混凝土。按照上述思路，计算设计出研究洞段不同围岩等级条件下的初支结构参数，如表所示。结语输水隧洞支护设计具有重要的理论和实践意义，是保证工程施工和运行安全的重要基础。此次研究以某输水工程输水隧洞为例，对地质条件复杂洞段的支护方案和参数进行了优化设计。从表初期支护参数设计项目围岩等级喷射混凝土边墙 厚度 仰拱 位置边墙、仰拱边墙、仰拱边墙、仰拱锚杆长度 间距（）直径 钢筋网直径 间距（）施工实践和相关的监测数据来看，隧洞衬砌结构可以充分发挥作用，工程的安全稳定性良好。研究结果不仅为背景工程的施工建设提供了有利的技术支持，也可以为类似工程的施工设计提供有益的经验借鉴。当然，输水隧洞开挖支护工程效果的影响因素较多，不同工程之间既存在共性也存在明显的差异。因此，在工程设计和施工中必须要结合工程实际进行开挖支护方案设计，充分发挥支护结构的功能。参考文献：于小苇辽宁省重点引调水工程运行调度探究东北水利水电，（）：肖云水库输水隧洞混凝土衬砌施工技术研究低碳世界，（）：曹小武，谭星舟，周剑波地下输水隧洞加固方案与有限元分析研究水利规划与设计，（）：徐威振，黄盈盈供水工程输水隧洞围岩稳定性分析及衬砌优化设计探讨地下水，（）：孙露某引水隧洞开挖钻爆法施工爆破参数的优化人民黄河，（）：赵大洲，梁春雨，党雪梅，等引汉济渭工程黄三段深埋长输水隧洞排水方案研究水利水电技术，（）：翟明杰，付云升，韩宇北京南水北调配套工程隧洞衬砌结构型式分析人民黄河，（）：，周祁基于围岩稳定性的输水隧洞二次衬砌混凝土参数优化水利技术监督，（）：水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷