输水隧洞弱胶结软岩洞段支护结构优化研究

王景义

(辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁 辽阳 111000)

1 工程概况

白石水库坐落于辽宁省北票市大凌河干流上，是一座以防洪和供水为主，兼有其他诸多功能的大型水利枢纽工程，水库坝址以上流域面积为17 649 km2，设计库容为16.45亿m3，是辽西地区的第一大水库[1]。为了满足供水需求，在水库建设中预留了引白入阜取水口，阜新市引白水源一期工程已经正式竣工、通水，对缓解阜新市水资源紧张状况起到了十分重要的作用。目前，二期工程已经开工建设，主要由85 km的输水隧洞和72 km的输水管线组成，工程建成后将进一步缓解下游城市的用水紧张状况[2]。

工程输水隧洞D15+203～D16+118洞段的围岩以砂质和粉质砂岩为主，岩层内没有明显的断层和裂隙分布，相对比较稳定，但岩体本身的质量较差，遇水易软化，这对输水隧洞的建设及后期运行较为不利。工程现场取样的实验室试验结果显示，该洞段岩层中的含水量较高，在围岩的岩石间存在较多的岩屑与水的混合物，岩层内部的岩粒之间主要以胶结物相连接，由于岩粒以各种不同性质的砂岩为主，遇水容易发生膨胀，遇空气容易发生氧化反应，隧洞围岩的抗压强度值相对较低，因此在开挖支护初步设计中采用锚梁网喷支护设计[3]。其中，锚杆的直径为22.0 mm，长度为2.5 m，间距和排距均为0.8 m；锚索的直径为17.8 mm，长度为7.3 m，间距为2.0 m，排距为1.6 m。

2 隧洞开挖支护监测与分析

2.1 监测内容与方法

隧洞开挖支护过程中，在锚索的预留孔部位设置GSJ-2型监测仪，用于监测锚索锚固力的变化，并据此分析隧洞围岩深部的支护稳定性特征；在锚杆的预留孔部位同样安装GSJ-2型监测仪，实现对锚杆锚固力的监测[4]，并以监测结果判断锚杆受力的安全性，同时分析围岩浅部支护的稳定性特征；在隧洞的拱顶、拱肩以及拱腰部位安装LDD3型激光测距仪，测量隧洞围岩位移变形数据，获得开挖支护施工过程中的围岩位移变形特征；在隧洞的拱顶、拱肩以及拱腰部位安装正弦式混凝土应变计，监测喷射混凝土层的应力应变数据，说明混凝土变形和受力状况[5]。

为了获取开挖支护原始设计方案的实际支护效果，将D15+203～D15+223洞段作为试验洞段，确定D15+213断面为监测断面，进行监测仪器的安装和监测工作，监测仪器的安装时间为2019年8月7日，监测历时90 d。

2.2 监测结果与分析

试验过程中锚索和锚杆轴力的监测结果显示，锚杆和锚索轴力均呈现出先增大后逐渐趋于稳定再缓慢减小的变化特征。锚杆轴力均值为72.1 kN，最大值为119.3 kN，位于隧洞的拱顶部位，最小值为12.4 kN，位于右拱肩部位。锚索轴力均值为46.2 kN，最大值为65.4 kN，位于左拱肩部位，最小值为22.5 kN，位于右拱肩部位。从实验结果来看，锚索的预紧力并没有达到设计要求，特别是右拱肩部位锚索的轴力最大值仅为22.5 kN，严重影响锚索的锚固功能发挥。

从监测断面的沉降变形来看，在监测的前30 d拱顶沉降变形量相对较小且比较稳定，30 d后沉降量突然增大，围岩拱腰的收敛变形基本稳定。从应力应变的试验监测数据来看，隧洞右拱肩部位的压应变值最大，为-423.5 με，拱顶部位的压应变值最小，为13.4 με。

综合监测结果，由于研究洞段需要穿越弱胶结软岩岩层，且构造本身较为简单，因此采用锚喷索联合支护方式可以满足隧洞稳定性的要求。但由于围岩岩性比较特殊，存在遇水软化的特点，因此导致锚索的预拉应力明显不足，且锚杆和锚索所受的拉应力值也相对较小[6]。由此可见，原始支护设计中的锚杆和锚索并没有充分发挥作用，进而造成围岩结构与支护体系之间缺乏足够的受力变形耦合度，对隧洞的长期稳定运行不利，需要进行进一步优化[7]。

3 优化方案与监测结果评价

3.1 优化方案设计

根据原设计方案检测结果及存在的不足，提出锚梁网喷索的联合支护优化方案[8]：

(1)沿着隧洞拱顶中线向两侧对称布置13根长2.5 m的锚杆，锚杆的材质为高强度螺纹钢，直径为20 mm，排距和间距均为1.0 m。锚杆的锚固长度为1.3 m，锚固设计强度不低于130 kN。

(2)在隧洞拱顶向两侧对称设计3根直径17.8 mm 的锚索，长度为6.3 m，排距和间距均为2.0 m。锚索的锚固长度为1.5 m，锚固设计强度不低于245 kN。

(3)挂钢筋网采用的是直径6 mm的钢筋，钢筋间距为10 cm。

(4)钢筋托梁采用的是直径12 mm的圆钢，间距为1.0 m。

(5)喷层混凝土的厚度设计为15 cm，混凝土标号为C25。

3.2 优化方案监测结果分析

对于优化后的支护方案，选择将D15+223～D15+243洞段作为试验洞段，以D15+233断面为监测断面，监测内容和方式与原始方案相同。监测时间始于2019年12月15日，监测历时90 d。根据对监测结果的分析，判断优化方案的支护效果。

3.2.1 锚杆轴力监测结果与分析

试验中对监测断面左拱肩、拱顶和右拱肩部位的5号、7号和9号锚杆拉力进行监测，根据监测数据绘制出的锚杆轴力随时间变化曲线如图1所示。由图1可知，由于采取了强化端头锚固等措施，优化后的锚杆轴力呈现出先快速增大后逐渐趋于稳定的变化特征。左拱肩部位的锚杆的轴力最大值为78.13 kN、拱顶部位的轴力最大值为107.33 kN、右拱肩部位的轴力最大值为88.24 kN，均未超过锚杆的设计锚固力和破断力设置，锚杆的作用得到了较为有效的发挥，有效避免了锚杆由于围岩软化以及锚固力不足造成的拉力松弛的问题，提高了支护效果。

图1 锚杆轴力随时间变化曲线

3.2.2 锚索轴力监测结果与分析

试验中对监测断面左拱肩、拱顶和右拱肩部位的1号、2号和3号锚索轴力进行监测，根据监测数据绘制出的锚索轴力随时间变化曲线如图2所示。由图2可知，锚索的轴力随着张拉时间的变化而迅速增大，之后逐渐减小并趋于稳定。究其原因为锚索一开始并没有张紧，主要用托盘固定，因此变形力持续增大，但随着锚固力逐步向围岩分摊，其锚索轴力逐渐下降，并趋于稳定。稳定之后左拱肩部位的锚索轴力值为67.3 kN、拱顶部位的锚索轴力值为77.1 kN、右拱肩部位的锚索轴力值为69.4 kN。由此可见，通过优化设计，锚索轴力不足问题得到了有效改善，避免了因锚索锚固力不足而造成的功能衰退。

图2 锚索轴力随时间变化曲线

3.2.3 位移变形监测结果与分析

试验中对监测断面拱顶、拱腰位移变形进行监测，根据监测数据绘制出的位移变形随时间变化曲线如图3所示。由图3可知，拱顶沉降变形和拱腰收敛变形呈现出先迅速增大，再缓慢增大，最后趋于稳定的变化特点。在稳定之后的拱顶沉降量为53.8 mm，拱腰收敛变形量为61.7 mm。

图3 位移变形随时间变化曲线

最终的变形量均在安全范围内，且与原始设计方案相比有明显的减小。说明在支护方案优化之后，围岩变形得到了有效控制，取得了良好的支护效果。

4 结 论

(1)原支护设计中的锚杆和锚索并没有充分发挥作用，造成围岩结构与支护体系之间缺乏足够的受力变形耦合度，对隧洞的长期稳定运行不利。

(2)根据原设计方案检测结果及存在的不足，提出锚梁网喷索的联合支护优化方案。

(3)试验结果显示，优化设计方案下的锚杆和锚索轴力不足问题得到有效改善，避免了因锚杆和锚索锚固力不足而造成的功能衰退，围岩变形得到有效控制，取得了良好的支护效果。