引水隧洞加长式钢拱架支护结构现场试验研究

张 兵，孙娟娟

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

1 工程背景

某长距离输水工程全长91.3 km，由取水头部、输水隧洞、输水管道、配水站及分支管线等分项工程组成。其中，输水隧洞的长度为41.5 km，输水管道长49.8 km。该工程输水隧洞二标全长18.82 km，地质条件十分复杂，岩溶和裂隙发育，不利于隧洞开挖施工的顺利进行。特别是桩号11+104—19+332洞段，为了避开SK03断层，需要下穿泥岩夹泥质粉砂岩地层。根据前期的地质调查结果，该段围岩岩体主要是Ⅳ类，个别部位为Ⅴ类。由于围岩的整体性差，强度低，如果开挖施工中采用传统钢拱架进行支护，拱脚部位的约束力明显不足，如果在围岩应力的作用下造成该部位的位移量偏大，就会对支护结构的整体安全造成不利影响[1- 6]。针对上述问题，拟采用加长钢拱架设计，以弥补拱脚部位约束力不足的问题。此次研究从上述思路出发，通过现场试验，对设计思路的合理性和有效性进行验证分析，以期为相关工程建设提供必要的支持。

2 设计原理与方案

为了提高钢拱架拱脚部位的约束力，在传统钢拱架设计思路的基础上，将钢拱架的拱脚加长，其具体的设计方案如下：

根据背景工程开挖洞径和围岩特点，在原有的I16钢拱架结构设计的基础上，将钢拱架拱脚部位加长10cm，形成加长钢拱架设计；为了进一步提高钢拱架拱脚部位的支撑作用，预制0.3m×0.2m×0.15m的C25混凝土块；在隧洞开挖进尺达到一榀钢拱架时，在钢拱架的拱脚支撑部位开挖与混凝土块相适合的凹型坑，然后将预制混凝土块放进凹型坑；将钢拱架置于混凝土块上，利用C25混凝土填筑混凝土块和凹型坑四周之间的空隙，提高结构的整体性；最后，进行锚杆施工，进一步固定钢拱架，利用混凝土块填充钢拱架和围岩之间的孔隙，铺设φ8(20×20)钢筋网，再喷射厚度为5cm的C25混凝土形成初支结构[7- 9]。

3 现场试验设计

3.1 试验段选择

研究洞段围岩地质条件十分复杂且稳定性较差，在隧洞开挖之后由于围岩应力的释放会引发围岩的变形，进而诱发工程事故影响施工安全和进度[10- 12]。由于新型钢拱架具有理论方面的优势与可行性，其实际应用效果如何还需要进行现场试验验证。基于此，此次研究选择11+104—11+133洞段为现场试验洞段，利用现场试验的方式，对传统钢拱架以及新型加长钢拱架支护结构的拱脚、拱顶等关键部位进行变形监测，以便对新型钢拱架结构的支护效果进行评价。

3.2 监测方法

在现场监测试验中，监测仪器不仅要具有良好的运行性能，还要具有简易、持久、可靠性，因此可以选择外部施工条件和自然条件敏感性小的光学仪器或机械性仪器。结合上述要求，在钢拱架结构的拱顶沉降监测方面，采用改进的拱部变位观测计，将其锚头焊接在钢拱架的拱顶部位，为了监测的顺利进行和监测数据的读取，将钢丝的一端固定在竖尺，另一端通过滑轮下垂到隧洞的下部，然后利用精密的水准仪前后两次读数的差值计算获取拱顶的变形值。在每榀钢拱架拱脚部位设置GSL钢环式收敛计，用于监测钢拱架拱脚的水平位移。在监测点的布置方面，拱顶沉降监测点位于每榀钢拱架拱顶处，相邻钢拱架之间的间距为0.8m；拱脚监测点设置在上台阶开挖断面的拱脚部位，间距为开挖横断面的宽度[13- 15]，其监测点的布置示意图如图1所示。

图1 监测点布置示意图

3.3 试验方案

通过现场试验的方法分析加长钢拱架的支护效果和应用价值，研究中保持相邻钢拱架之间的间距为0.8m不变，设定5、10、15cm三种不同的喷射混凝土厚度，从而设计出六种不同的计算工况，结果见表1。在现场试验过程中，每种试验方案的试验长度为5.0m。利用现场试验的方法，对施工支护过程中的围岩位移变形数据进行监测统计，根据对统计数据的分析，对两种不同支护方式的支护效果进行评价。

4 试验结果与分析

4.1 拱顶沉降位移试验结果与分析

利用上述设计的试验方案，对不同开挖步的隧洞拱顶沉降量进行监测统计，数据的整理结果见表2。

表2 拱顶沉降量计算结果 单位：mm

以监测数据为基础，绘制出如图2所示的拱顶沉降量随开挖步的变化曲线。由试验结果可知，采用厚度为5cm的喷射混凝土时，传统钢拱架与加长钢拱架的拱顶的沉降量监测结果分别为7.456mm和 3.242mm，相对于传统钢拱架，加长钢拱架的拱顶沉降量大幅减小了约56.5%；采用厚度为10cm的喷射混凝土时，传统钢拱架与加长钢拱架的拱顶的沉降量监测结果分别为6.666mm和 2.887mm，相对于传统钢拱架，加长钢拱架的拱顶沉降量大幅减小了约56.7%；采用厚度为15cm的喷射混凝土时，传统钢拱架与加长钢拱架的拱顶的沉降量监测结果分别为6.274mm和 2.426mm，相对于传统钢拱架，加长钢拱架的拱顶沉降量大幅减小了约61.3%。由图2可以看出，在所有的试验方案下，随着开挖步的增大，拱顶沉降量的均呈现出明显增加的特点。但是，在其他条件相同的条件下，采用加长钢拱架时的拱顶沉降量明显偏小。因此，在开挖支护设计过程中，采用加长钢拱架具有显著优势，可以取得更为明显拱顶沉降变形控制效果。

图2 拱顶累积沉降量随开挖步变化曲线

4.2 拱脚收敛位移计算结果与分析

利用上述设计的试验方案，对不同开挖步的隧洞收敛位移进行监测统计，数据的整理结果见表3。

表3 拱脚收敛位移计算结果 单位：mm

以监测数据为基础，绘制出如图3所示的收敛位移量随开挖步的变化曲线。由试验结果可知，采用厚度为5cm的喷射混凝土时，传统钢拱架与加长钢拱架的拱脚收敛变形监测结果分别为2.594mm和 0.984mm，相对于传统钢拱架，加长钢拱架的拱顶沉降量大幅减小了约62.1%；采用厚度为10cm的喷射混凝土时，传统钢拱架与加长钢拱架的拱脚收敛变形监测结果分别为2.409mm和 0.814mm，相对于传统钢拱架，加长钢拱架的拱顶沉降量大幅减小了约66.2%；采用厚度为15cm的喷射混凝土时，传统钢拱架与加长钢拱架的拱脚收敛变形监测结果分别为2.255mm和 0.590mm，相对于传统钢拱架，加长钢拱架的拱顶沉降量大幅减小了约73.8%。由图3可以看出，在所有的试验方案下，随着开挖步的增大，拱脚收敛量均呈现出明显增加的特点。但是，在其他条件相同的条件下，采用加长钢拱架时的拱脚收敛变形量明显偏小。因此，在开挖支护设计过程中，采用加长钢拱架具有显著优势，可以取得更为明显拱脚收敛变形控制效果。

图3 拱脚收敛位移随开挖步变化曲线

5 结论

本研究以具体工程为背景，利用现场试验方法研究了加长钢拱架支护结构有效性，主要结论如下：

(1)在其他条件相同的条件下，采用加长钢拱架时的拱顶沉降量明显偏小。因此，在开挖支护设计过程中，采用加长钢拱架具有显著优势，可以取得更为明显拱顶沉降变形控制效果。

(2)在其他条件相同的条件下，采用加长钢拱架时的拱脚收敛变形量明显偏小。因此，在开挖支护设计过程中，采用加长钢拱架具有显著优势，可以取得更为明显拱脚收敛变形控制效果。

(3)鉴于采用加长钢拱架并不会大幅增加工程成本和延长工期，而在控制围岩变形方面可以获得显著效果，因此具有明显的工程应用价值，建议在工程设计中采用。