基于新奥法的输水隧洞支护时机分析

王宏伟

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110000)

基于新奥法的输水隧洞支护时机分析

王宏伟

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110000)

输水隧洞开挖后的围岩稳定性问题是影响工程设计和施工安全的关键问题。文章选取胜利水电站输水隧洞的出口段作为研究对象，利用新奥法支护时机原理选取出口段的某一洞段为应用实例，计算分析了该洞段的最佳支护时机问题。

输水隧洞；数值模拟；支护时机

1 工程概况

胜利水电站位于新宾县胜利村境内的苏子河上，是辽宁省规划的苏子河梯级开发中的最后一级[1]。胜利水电站是一座以发电为主，兼具防洪、养殖等综合效益的大型水利枢纽工程。该工程设计库容为6.98亿m3，工程等别为Ⅳ等。电站部分由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽组成。引水隧洞全长3924 m为无压隧洞设计，纵坡i=1.7‰。隧洞洞径设计为5.2 m，最大输水量为65 m3/s[2]。

隧洞围岩主要由古生代奥陶纪和志留纪地层组成，新生界第三系地层有一定分布，但是范围不广。其中古生代地层主要由灰色或灰褐色层状灰岩和砂岩构成，岩石致密坚硬[3]。该地层被区域性深大断层F7切割，出露地层不全，呈东西长条分布。第三系岩层的岩性由红色到黄褐色砂岩、黏土岩、砂砾岩和泥质砂岩构成，局部夹有石膏。前期的地质勘探显示，岩石的透水率为0.5～5.1 Lu，属于弱-微透水性。隧洞围岩中的Ⅱ-Ⅲ类围岩约占19.8%；Ⅲ类围岩约占46.1%；Ⅳ类围岩约占24.2%；Ⅴ类围岩约占9.9%。隧洞附近的地下水类型主要是裂隙潜水，其补给、径流和排泄强烈，因此，应该对F7断层的地下水对施工的影响予以关注。

2最佳支护时机的计算原理2.1 确定最佳支护时机的原理

最大限度发挥围岩的自承能力是新奥法的理论基础，而最佳支护时机选择是对于必须进行衬砌的隧洞最大限度发挥围岩自承能力的关键[4]。本次研究中的输水隧洞地质条件复杂，部分洞段的自承力较低，因此，必须联合采用多种支护方式和围岩处理措施。

新奥法理论与传统支护理论的主要区别在于围岩本身的自承力。在该理论下围岩的压力并不全部视为作用于支护结构的外荷载，而支护结构只承担自身无法平衡的剩余围岩压力。如何最大程度发挥围岩的自承能力，减小支护荷载，使工程设计更为经济合理，是新奥法的核心所在[5]。

围岩的自承能力并不是一成不变的，其受到围岩属性、结构和力学特征等众多因素的影响。对特定的围岩，其自承力与围岩变形之间具有一定的关系规律[6]。众多的工程实践经验显示，围岩变形和支护荷载之间满足如图1所示的曲线，其中横坐标表示围岩变形，纵坐标表示支护力。由图1可知，支护力随围岩变形的增大，呈现出先变小后变大的特征，而两者之间的最小值就是围岩自承力能够得到最大发挥的点。其中，支护2的刚度

比支护1大，而围岩稳定之后，支护2的受力则比支护1低。由此可见围岩的最佳支护时机应是特征曲线的最低点处。

图1 支护结构刚度作用图

2.2 确定最佳支护时机的方法

上节对基于新奥法的最佳支护时机的原理进行了阐述，但是依靠上述曲线和弹塑性理论并不能得到精确的解析解。本次研究试图通过数值模拟对多种方案进行对比分析，以寻求接近于上述最小支护荷载的最佳支护时机。

输水隧洞的最佳支护时机的直观指标是围岩的变形量，但是对通过对围岩变形量进行精确检测以确定支护时机的方法在操作中有一定的难度[7]。因此，本次研究试图通过寻找一种更适合实际施工现场的方式来解决上述问题。

在输水隧洞的开挖过程中，随着掌子面的推进，后面的围岩也在产生着变形[8]。在距离掌子面不同距离上的围岩其开挖时间也有先后差异，其应力经受扰动、调整与重新分布的状态也有所不同，导致围岩的变形量也不同。所以，可以利用掌子面进尺这一容易监测的数据，来间接描述围岩变形量，进而描述对应的最佳支护时机。实现方法主要有以下几步：首先建立输水隧洞的真三维模型，模拟隧洞的开挖过程，得到围岩变形与掌子面之间关系的规律曲线；然后建立一个钢拱架作用范围内的准三维模型，对开挖后应力释放过程以及围岩变形过程进行详细模拟，分析不同变形阶段围岩稳定性和支护结构受力情况，通过多方案对比，获得以围岩变形量为指标的最佳支护时机；最后，以两种三维模拟分析围岩变形过程，提出最佳支护时机对应的掌子面距离。

3 工程实例

本次研究利用胜利水电站输水隧洞出口段来说明最佳支护时机的具体计算过程，该洞段埋深300 m，灰岩岩性，Ⅳ类围岩，隧洞开挖截面为半径3.5 m的圆形。

3.1 围岩条件与计算参数

该洞段的一次支护采用φ25@1.5-3锚杆、15 C30喷混凝土和I20 b@100 cm钢支撑支护。围岩条件与计算参数如表1所示。

表1 围岩条件与计算参数

3.2 降弹模法围岩变形规律

在准三维模型中，通过建立一个钢拱架范围内的三维地质模型，利用开挖岩体逐步能量释放过程的等效方法，通过弹性模量不同比例降低对围岩变形的影响进行模拟。对开挖岩体的逐步能量释放过程的控制方法很多，其中最常见的有以下两种：一是首先计算出总的开挖荷载，然后将其分布施加到围岩上；二是利用降低弹性法，对开挖岩体的弹性模量按比例逐步降低，获得岩体能量逐步释放的等效过程。在本次研究中拟采用降低弹模的方法对能量逐步释放过程进行控制。

利用准三维模型降弹模法得到的隧洞围岩变形量与弹模降低比例之间的关系曲线如图2所示。图中的横坐标表示开挖岩体弹模与原始弹模之间的比例关系，纵坐标表示围岩的位移值。从图2的曲线可以看出，随着比例系数的降低，围岩变形逐步增大。显然，利用该曲线可以获得弹模降低比例所对应的围岩变形量。

图2 围岩位移值与降弹模比例关系的曲线

3.3 围岩先期变形与支护结构的受力关系

在准三维模型的计算中，围岩的支护采用如下基本思路：首先按一定比例降低开挖岩体的弹模，让输水隧洞的围岩产生一定量的先期变形，同时释放一部分能量，然后再采取支护措施。根据新奥法理论对隧洞开挖过程中的围岩变形与支护时机的研究成果，如果围岩的先期变形为零，那么支护荷载就与初始地应力完全相等，这无疑对支护结构的强度要求最高；随着先期变形的逐渐增大，开挖的围岩会释放相当部分的应力荷载，作用于支护结构上的荷载就会逐渐减小，但是围岩的最终变形量与塑性松动区也会呈变大趋势；当然围岩的先期变形也不可无限增大，如果先期变形超过一定限度而支护过晚，不断增大的塑性松动区就会导致围岩破坏甚至塌落，同时过大的围岩松动圈也会作用于支护结构，造成支护结构上的荷载上升。

通过对胜利水电站输水隧洞出口段准三维模型的计算分析，得到最终支护结构上的荷载与先期变形量之间的关系曲线如图3所示。通过进一步的比较分析得知：首先，围岩变形量需要符合实际需求，不可出现面积过大的屈服区，锚杆长度要深入屈服区范围外1 m左右，如果屈服区面积过大会造成锚杆失效，致使隧洞围岩失稳。因此，在胜利水电站输水隧洞出口段，围岩的先期变形量取8.92 cm为宜，也就是当围岩的变形量达到8.92 cm时进行支护是合理的。

图3 初期支护最大压应力与先期变形关系曲线

3.4 最佳支护时机的确定

建立真三维模型，对无支护条件下的开挖工况进行模拟，研究掌子面进尺与围岩变形之间的对应关系。

由真三维模型可以计算获得如图4所示的围岩变形与掌子面之间的关系曲线。由关系曲线可知，在准三维模型中围岩先期变形的最佳值为8.92 cm，也就是相当于真三维模型中掌子面前进5.5 m时的围岩变形。因此，掌子面前进5.5 m时，对围岩进行支护较为合理。也就是说，该洞段的最佳支护时机为掌子面前进5.5 m时进行支护。

图4 掌子面进尺与围岩位移量关系曲线

4 结 论

在介绍新奥法支护理论的基础上，提出了输水隧洞最佳支护时机的计算原理与计算方法。选取了胜利水电站输水隧洞出口段作为实例，计算分析了该洞段的最佳支护时机，结论显示当掌子面进尺为5.5 m时进行支护最为合理。

[1] 罗坡.胜利水电站正常蓄水位方案选择[J].吉林水利,2014(5):22-24.

[2] 吴有坤,罗坡.胜利水电站坝线方案选择[J].黑龙江水利科技,2015(2):79-81.

[3] 潘凯锋.胜利水电站水力自控翻板闸设计[J].技术与市场,2012(6):187-188.

[4] 郑金明,刘高,谢裕江.新奥法在山岭隧道软岩工程中的应用及存在问题[J].施工技术,2011(2):80-84.

[5] Corkum A G, Martin C D.Modelling a mine-by test at the Mont Terri rock laboratory,Switzerland [J]. Internationai Journal of Rock Mechanics Mining Sciences,2007,44(6):846-859.

[6] Cho N,Martin C D,Sego D C.Aclumped particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics Mining Sciences,2007,44(7):997-1010.

[7] 乔书阳.新奥法支护施工中的常见支护形式[J].黑龙江水利科技,2014(5):52-53.

[8] 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/OL].水利水运工程学报,2014(5).http://www.cnki.net/kcms/detail/10.16198/j.cnki.1009-640x.2014.05.012.html.

Timing analysis of water tunnel support based on New Austrian Tunneling method

WANG Hongwei

(WaterConservancyCivilEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shenyang110000,China)

The stability of surrounding rock after excavation of water conveyance tunnel was the key issue that affects the safety of engineering design and construction. It took the export section of Shengli Hydropower Station as a research object.This paper analyzed the optimal support time of the hole section by using the support time principle of New Austrian Tunneling method.

water conveyance tunnel; numerical simulation; support time

王宏伟(1987-)，男，辽宁桓仁人，助理工程师， 主要从事输水隧洞施工工作。E-mail：vip100f@163.com。

U455.7

A

2096-0506(2017)01-0043-04