基于差分原理的喷锚支护水工隧洞稳定可靠度分析

杨航 孙旭辉

摘要：目前，我国水工隧洞的建设水平不断取得突破，建设规模向大埋深、长距离、大断面趋势发展，如锦屏二级引水隧洞埋深达2525m，开挖洞径达14.6m。随着隧洞建设规模的增大，其稳定安全问题也愈发突出，其中隧洞围岩与支护的整体稳定问题是隧洞设计关注的重点。在水工隧洞的建设中，采用喷锚支护和先喷锚后二次衬砌的水工隧洞较为常见，如蒲石河抽水蓄能电站地下厂房洞室用喷锚支护做永久支护，九甸峡水利枢纽工程引水发电洞用喷锚支护做一次支护等。隧洞喷锚支护后（或二次衬砌前）围岩与锚喷支护的整体失稳时有发生，常造成围岩变形坍塌和二次衬砌破坏等事故。因此，研究喷锚支护水工隧洞围岩与喷锚支护联合承载时的稳定可靠性意义重大，亟待采用可靠度方法研究解决。

关键词：水工隧洞;稳定可靠度;喷锚支护;差分原理

引言

喷锚支护技术是隧道施工过程中重要的技术之一，在很大程度上能够解决因地质结构而产生的土体松散现象，有效增强了土体的稳定性，保障了施工人员的生命安全，本文将重点对喷锚支护措施进行深入分析。

1作用分析

喷锚支护具备及时性特点，具体就是在其隧道开挖施工的几小时内就能够开展施工，可以快速的形成围岩支护抗力形式。因为岩石的峰值强度与残余强度都会和侧压力形成正比关系，所以强度的下降程度和侧压力是反比存在的，因此，在开挖施工后立即组织实施喷锚支护作业，可以给围岩提供径向抗力，让围岩保持在三轴应力的条件中，保证围岩的稳定性与安全性。喷锚支护及时性还可以从施工方面分析，该环节是在施工作业面同时进行的，通过应用工作空间的限制开挖后支护变形，避免围岩产生松弛的问题。

2隧洞地质概况

本文分析的输水隧洞基本地质条件布置于顺流右岸，沿线植被覆盖较好，山高林密，人口密度小，耕地不多，坍塌、滑坡等不良物理地质现象不发育，侵蚀作用微弱。地表分布白垩系上统江底河组下杂色泥岩段（K2j1）和马头山组（K2m）地层，岩性以砂泥岩为主，岩层倾向87-90°、倾角35-38°，岩层走向与洞轴线斜交，夹角78-81°，接近垂直，洞身围岩为强-弱风化状态，粉砂质泥岩、泥灰岩属软弱工程地质岩组、长石石英砂岩属坚硬工程地质岩组，进出口围岩多为Ⅴ类，洞身段多为Ⅲ-Ⅳ类。沿线未发育大的断裂构造和缓倾角结构面、软弱夹层，地层分布连续、岩性单一、产状变化不大，隧洞进出口边坡、基础总体稳定。隧洞最大埋深300m左右，洞身多处在地下水位线以下，地下水对隧洞施工影响较大，施工中应充分考虑洞身排水问题。

3基于差分原理的可靠度研究方法

3.1功能函数偏导数的计算

FOSM与SORM在计算各随机变量X=（X1，X2，…，Xn）的偏导数时，需要显式的功能函数Z=g（X），而在实际工程中若遇到功能函数是隐式的情况，可根据差分原理求得验算点X0处功能函数对各变量的偏导数为

3.2蒙特卡洛重要抽样法采用MC-IS计算结构可靠度时，需先采用FOSM计算出设计验算点x*i，以x*i为中心构造重要抽样概率密度函数pV（vi），再进行随机抽样，用式（15）求出失效概率

若X1与X2具有相关性，用式（16）计算X1与X2的联合概率密度函数

4水工隧洞喷锚支护技术要点

4.1开挖面围岩处理

开挖采用人工配合挖掘机开挖，自卸车出渣。挖前由测量人员测量周边线，给出周边点然后按测点进行开挖。开挖预留沉降量按50～60cm控制，根据施工情况结合测量数据逐步调整预留沉降量。施工控制事项：上部弧形开挖超前中部3～5m，中部左侧超前右3～5m，左右交错进行开挖与支护，下部同中部施工，下部超前底部10m左右，核心土面积应不小于整个断面面积的50%。严格控制各台阶开挖开挖高度，上台阶控制在4m以内，中台阶2.6m，下台阶3m。上部核心土跟中部左侧同时开挖，中部核心土和下部左侧同时开挖，下部核心土在下部右侧开挖支护后开挖。经验总结拱部矢跨比控制在0.3～0.33，为围岩自身稳定最佳值。

4.2混凝土的喷射

混凝土浇筑前，应用水冲洗岩壁表面，清除各种碎片和灰尘，避免影响喷射效果。同时，为了用搅拌器均匀混合水泥骨料和厚骨料，添加的水必须结合具体的配比情况，一般混凝土含水量可保持在20%左右。同时，為了确保均匀合理的喷射混凝土，最好将喷射表面分成几个均匀的小块，每块长度约5厘米，喷射厚度通常约3厘米。在半径为10的范围内控制喷射曲面和喷射方向之间的角度更为合适。喷射时，喷射器必须与喷射表面保持0.5厘米至1厘米的距离，喷头主要呈螺旋状。与此同时，在混凝土注入过程中，需对注入面进行分层喷筑。

4.3支护时机与空间效应利用

新奥法锚固原则的基本原则是充分利用围岩的自我防护能力，确保围岩不会产生破坏性松弛，同时保持围岩初始强度，控制适度变形。锚固防护的实施、时机和参数对围岩监测测量和防护体系结果的分析研究表明，简单破碎雾状母岩锚固保护应分两个阶段进行，前支护确保围岩稳定，后支护保护主要是为了提高安全性。上部建立围岩大变形，控制适度变形维护完整性，充分发挥围岩自支撑能力，降低作用于支护系统的变形土压力，限制松弛土压力，提供试验孔支护实践表明，前支护喷混凝土厚度安全有效地为50.0～80.0mm。当喷混凝土不能保证围岩稳定时，必须严格控制围岩变形，实现预支护。

5结论

本文提出了基于差分原理的一次二阶矩（FOSM）和二次二阶矩（SORM）可靠度算法，并对喷锚支护圆形隧洞围岩与支护系统稳定可靠度进行计算分析，得到如下研究结论：（1）基于差分原理的FOSM和SORM验算点法能很好地处理功能函数是非线性隐式的情况。（2）结合工程实例对差分步长进行了研究，得到了不同步长系数下锚喷支护隧洞稳定可靠度的计算结果，基于差分原理的FOSM和SORM法在步长小于0.02的情况下可靠度计算结果趋于稳定。（3）通过与蒙特卡洛直接抽样法（MC-DS）和重要抽样法（MC-IS）对比分析可知，基于差分原理的FOSM和SORM法计算结果精确且高效，能够满足实际工程计算要求。（4）工程实例可靠度研究表明，围岩抗剪强度参数c和φ的分布类型不同，得到的可靠指标也不同，c分布类型变化对可靠指标影响不大，而φ分布类型为对数正态分布时，可靠指标较正态分布时小，c、φ的负相关性对隧洞围岩稳定可靠指标影响显著，随着负相关性的增强而增大，这与已有研究的结论一致，表明本文方法具有很好的适用性。

结束语

隧道工程通常在地质环境较为复杂的山区进行，隧道的实施面临更大的困难，特别是在运输、技术等方面。特别是，在地面较松散的一些地区，相应土层上的震动可能会造成重大损害，并威胁到执行人员的人身安全。因此，在某些隧道工程中必须采取相应的锚固保护措施。本文详细介绍了锚地保护施工技术，并为有关人员提供参考。

参考文献

[1]郭红强.隧道喷锚支护施工技术应用[J].交通世界，2019（35）：130-131.

[2]陈靖波.深埋高地应力水工隧洞开挖及喷锚支护模拟计算探析[J].黑龙江水利科技，2019，47（07）：133-137.

[3]金宇轩.考虑围岩与支护共同作用的喷锚支护效应量化研究[D].湖南大学，2019.

[4]魏彦军，薛兴祖，汪涛.大型引水隧洞TBM安装间有限元分析与研究[J].水利规划与设计，2019（09）：156-160.

[5]张吉昌，梁东伟.软岩隧道变形控制机理及其支护技术研究[J].科技风，2019（19）：134-135.