胶东地区引黄调水工程村里隧洞支护设计

单既连，叶 昆，宋文军

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014；2.淄博泰信岩土工程有限公司，山东 淄博 256100）

山东省胶东地区引黄调水工程自黄河引水，利用现有的引黄济青部分输水河、新辟输水明渠、七级提水泵站、压力管道、隧洞及暗渠输水至威海市米山水库，输水线路总长482.247km，设计流量为4.8～22.0m3/s。

村里隧洞位于蓬莱市村里集镇，全长6347.3m，设计流量为11.0m3/s，校核流量为14.3m3/s，净断面尺寸3.8m×3.3m（宽×高）加半圆拱，纵向比降为1/1500。

该段地质条件为：断层、断裂构造带和节理密集带岩石风化较强烈，蚀变明显，围岩整体性差，岩石单轴饱和抗压强度为45.8MPa，中硬岩石，不完整系数为0.405，岩体完整性差，局部漏水较重，可能产生集中涌水，围岩分类为Ⅴ类，稳定性差，围岩强度不足，局部会产生塑性破坏，若不支护将产生塌方或变形破坏。

1 复合支护设计

对于Ⅴ类围岩采用复合支护形式，初期为喷、锚、网、钢架组合支护，二期为钢筋混凝土支护。

1.1 超前支护

洞口段及断层带围岩、易埸方、冒顶段全断面采用Ф42小导管注浆；花岗岩散体状结构、砂砾堆积层采用自进式中空注浆锚杆；一般断层影响带、节理密集带及偶遇渗水～经常渗水的IV类围岩采用Ф18mm超前锚杆。超前锚杆或小导管的长度应大于循环进尺的2倍，宜为3～3.5m，搭接长度不小于1.0m。

1.2 初期支护

采用喷射混凝土、钢筋网、锚杆组成支护体系，并视情况采用格栅钢架。开挖后喷射5cm厚的C25混凝土，挂Ф8mm钢筋网及钢架，再喷5～15cm厚的C25混凝土。

1.3 二次衬砌

采用模筑C25钢筋混凝土，厚度为25cm。二次衬砌每15.0m一节，节间设伸缩缝，缝宽20mm，内设止水和闭孔泡沫板。

1.4 监控量测设计

采用锚喷构筑法修建隧洞，现场监控量测项目不仅是监测各施工阶段围岩和支护动态，确保施工安全，而且为调整初期支护设计参数、确定二次衬砌和底板的施作时间，提供反馈信息，作为支护调整的依据。

2 支护技术的动态设计

在隧洞施工过程中，通过对工程全面监测信息的综合分析及互相论证，采用动态变形反演算仿真分析法，通过有限元计算分析，论证设计支护方案的安全、经济性，为现场施工提供技术支持，同时根据分析情况及时调整支护方案。

2.1 仿真计算模型

根据地质及现场施工条件，在数值模拟时采用以下步骤模拟施工过程和顺序：先开挖隧洞的上半部分，进行初期支护，施工1～2个循环后再开挖隧洞的下半部分，进行初期支护。

根据不同施工阶段，共划分为733个单元，如图1。

2.2 预支护方案

图1 开挖后的单元划分图

预支护方案情况下，实测断面隧洞铅垂收敛值为12.2mm，水平收敛值为14.6mm；经反演算分析，隧洞铅垂收敛为15.3mm，水平收敛为15.2mm。实测值与计算值基本相当，都小于Ⅴ类围岩设计允许变形量50～80mm的要求，说明支护还有优化的余地，在调整支护参数后再进行反演算分析，最终根据不同的地质条件确定合适的支护方案。

2.3 动态调整方案

根据预支护计算分析成果，对喷射混凝土厚度、钢筋网直径、钢拱架的间距、二次支护的厚度及各施工工序的施作时间等进行优化。优化后经计算，喷射混凝土的最大拉应力是0.92MPa，最大压应力为1.97MPa，均满足C25混凝土的抗拉及抗压要求；拱顶最大向下位移是12.26mm，底板最大向上位移是64.84mm，铅垂收敛值为77.1mm，水平收敛值为52.7mm。实测拱顶最大向下位移为22.8mm，实测水平收敛值为52.82mm，计算值与实测值基本接近，说明支护参数的选择比较合理。

3 结语

通过对隧洞支护进行有限元反演算仿真分析，根据不同时段量测的围岩的各种位移变形量及收敛值，采用有限元计算软件，对围岩及支护进行动态的整体有限元反演算分析，提出符合实际情况的安全经济的隧洞支护形式。较之过去一般的工程类比法，反演算仿真分析法无论在理论内涵或工程应用上，都具有优越性，使隧洞工程设计从目前的定性水平，提高到理论——经验——信息资料与计算机技术结合的综合集成定量化水平。