某輸水隧洞最優(yōu)支護參數(shù)設(shè)計分析

馬國文

摘 要：文章以新疆某輸水隧洞工程為例，確定總體施工方案，以圍巖位移量、塑性區(qū)范圍面積為參考依據(jù)，分析得出最佳噴射混凝土層的厚度為100mm，錨桿長度2.5m，錨桿間距小于1.0m，可為類似工程提供必要的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞;最優(yōu)支護參數(shù);噴射混凝土層;錨桿

中圖分類號：TV672+.1? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0157-02

1工程概況

新疆某輸水隧洞工程全長0.8km，為無壓隧洞，設(shè)計輸水流量5.39m3/s，縱坡為1/1000，主要是解決當(dāng)?shù)厣a(chǎn)及生活用水問題。結(jié)合其他類似工程經(jīng)驗，本項目設(shè)計隧洞斷面為城門拱形，其中底寬3.5m，總高3.8m（其中拱高1.0m），內(nèi)部采用混凝土襯砌。

2輸水隧洞總體施工方案

輸水隧洞施工工序：施工準(zhǔn)備→隧洞開挖→初期支護→內(nèi)部襯砌→灌漿加固→底部鋪設(shè)→附屬設(shè)備安裝。

3隧洞最優(yōu)支護參數(shù)設(shè)計分析

本文主要應(yīng)用Flac3D數(shù)值模擬技術(shù)對Ⅳ類圍巖條件下的支護結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)進行對比分析。

3.1噴射混凝土最優(yōu)參數(shù)分析

在其它支護參數(shù)一致的情況下，本項目參考其它工程經(jīng)驗，分別設(shè)計以下五種噴射厚度模擬方案：50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，然后分別對圍巖位移量、圍巖塑性區(qū)范圍進行分析[1]。

3.1.1圍巖位移量分析

①隨著噴射厚度增加，圍巖位移量總體均處于不斷減小趨勢;②噴射厚度每增加50mm，拱頂處圍巖位移量大致均減小0.8～1.0mm，總體下降趨勢不變;③當(dāng)噴射厚度在50～150mm，側(cè)墻圍巖位移量基本保持在20mm不變，當(dāng)噴射厚度在150～250mm，側(cè)墻圍巖位移量下降趨勢開始增加，由19.5mm降至17mm，呈先緩后急的趨勢。

在此建議：由于噴射混凝土厚度對圍巖位移量影響比較小，盲目加大厚度并不能起到顯著效果，因此設(shè)計厚度以封堵滲水、裂縫為標(biāo)準(zhǔn)即可，參考其他經(jīng)驗和本項目實際情況，以100～150mm厚度為宜[2]。

3.1.2圍巖塑性區(qū)范圍變化分析

圍巖塑性區(qū)越大，則圍巖破碎、裂隙發(fā)育越嚴(yán)重，越不利于支護工作，經(jīng)研究可知：噴射混凝土層可有效縮小塑性區(qū)范圍。表1是在不同噴射厚度下，隧洞一個標(biāo)準(zhǔn)斷面圍巖塑性區(qū)范圍變化情況[3]。

由表1可知：①隧洞圍巖塑性區(qū)主要為拉應(yīng)力;②隨著噴射厚度增加，塑性區(qū)面積在逐漸減小，但影響程度在逐漸減小。

在此建議：噴射混凝土由50mm增長至100mm，圍巖塑性區(qū)總面積由56.61m2降至51.82m2，之后下降面積很小，因此最宜厚度為100mm。

3.2錨桿最優(yōu)支護參數(shù)設(shè)計分析

3.2.1不同錨桿長度對支護效果影響分析

在其它支護參數(shù)一致的情況下，參考其它工程經(jīng)驗，分別設(shè)計了以下五種錨桿長度模擬方案：1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m，然后分別對圍巖位移量、圍巖塑性區(qū)范圍進行分析[4]。

（1）圍巖位移量分析：①隨著錨桿長度增加，圍巖位移量呈逐漸下降趨勢，其中拱頂較側(cè)墻下降趨勢小，可見錨桿長度變化對拱頂圍巖位移量影響很小;②當(dāng)錨桿長度由1.0m增至2.0m時，側(cè)墻圍巖位移量變化很小，但由2.0m增至3.0m時，位移量變化減小趨勢明顯增加。

在此建議：本項目隧洞拱頂處錨桿長度設(shè)計1.0～1.5m即可，側(cè)墻處錨桿長度設(shè)計2.5～3.0m為宜。

（2）圍巖塑性區(qū)范圍變化分析。表2是在不同錨桿長度下，本項目隧洞一個標(biāo)準(zhǔn)斷面圍巖塑性區(qū)范圍變化情況。

由表2可知：①隨著錨桿長度增加，圍巖塑性區(qū)面積在逐漸減小，由51.12m2降至48.10m2;②當(dāng)錨桿長度由2.5m增至3.0m時，塑性區(qū)面積減小趨勢降低，可知其加固效果降低了。因此從該方面考慮，設(shè)計錨桿長度為2.5m為宜。

3.2.2不同錨桿間距對支護效果影響分析

在其他支護參數(shù)一致的情況下，本項目參考其他工程經(jīng)驗，分別設(shè)計了以下五種錨桿間距模擬方案：0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m，然后分別對圍巖位移量、圍巖塑性區(qū)范圍進行分析[5]。

（1）圍巖位移量分析：①隨著錨桿間距減小，圍巖位移量呈逐漸下降趨勢，其中拱頂較側(cè)墻下降趨勢小，可見錨桿間距變化對拱頂圍巖位移量影響較小;②當(dāng)錨桿間距由0.75m降至0.5m時，側(cè)墻圍巖位移量出現(xiàn)了明顯減小現(xiàn)象（由21.0mm降至19.3mm）。

在此建議：本項目隧洞拱頂處錨桿間距設(shè)計1.5m即可，側(cè)墻處錨桿間距在滿足成本及實際施工條件下，以0.5m為宜，不大于1.0m。

（2）圍巖塑性區(qū)范圍變化分析。表3和圖1展示的是在不同錨桿間距下，本項目隧洞一個標(biāo)準(zhǔn)斷面圍巖塑性區(qū)范圍變化情況。

由表3和圖1可知：①隨著錨桿間距減小，圍巖塑性區(qū)面積在逐漸減小，由52.56m2降至50.67m2;②總體來看減小趨勢比較平穩(wěn)，幅度也比較小，可見間距這一參數(shù)對圍巖塑性區(qū)影響不太大。因此從該方面考慮，設(shè)計錨桿間距為1.0m為宜。

4結(jié)語

輸水隧洞支護技術(shù)對施工速度、工程質(zhì)量、施工成本等均具有直接影響，本文通過結(jié)合其他工程經(jīng)驗、實際工況、Flac3D數(shù)值模擬等技術(shù)，分別得到了噴射混凝土層、錨桿等支護手段的一些重要參數(shù)。但是由于本文數(shù)據(jù)很大程度經(jīng)過了理想化處理，而且為簡化計算，默認(rèn)隧洞圍巖條件一致，因此肯定會出現(xiàn)個別地段不符合真實情況問題，所以本文結(jié)論可以作為一定的理論依據(jù)，不可作為完全的施工依據(jù)。

參考文獻：

[1] 蘇航，王云川，劉東.淺埋引水隧洞穿越第三系變形特征研究[J].人民珠江，2018，39（012）：152-156，178.

[2] 張虎元，孫遜，秦佳.隧洞支護效應(yīng)的探討[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013（S2）：32-35.

[3] 薛文政，馮雁.南水北調(diào)中線工程北京段西甘池隧洞設(shè)計[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2018（05）：43-47.

[4] 黃康鑫，王靜，楊興國，等.高地應(yīng)力條件下輸水隧洞斷面選型及支護設(shè)計[J].水利學(xué)報，2015（04）：17-22.

[5] 劉乃飛，李寧，郭曉剛.及時支護隧洞變形規(guī)律研究及穩(wěn)定性評價[J].水利水運工程學(xué)報，2019（05）：32-35.