输水隧洞穿越节理破碎岩洞段大变形控制方案比选研究

刘 杰

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

1 工程背景

某输水隧洞穿越FG12断层洞段存在比较复杂的地质环境，岩体主要是片理化玄武岩，岩性比较软弱，物理力学性能较差。同时，岩体中还夹杂多层凝灰岩。由于凝灰岩极易遇水软化，且部分洞段有地下水渗出，围岩强度应力比小于0.12。针对该洞段的地质情况，工程项目部拟采用全断面超前注浆加固和三台阶开挖法的施工方案，同时在施工中做好止水工作，确保开挖施工安全[1]。由于研究洞段围岩多为片理化玄武岩，容易发生错动变形。在进行开挖支护施工时，结构面大多呈张开状态，极易诱发围岩大变形，给工程施工安全造成重大威胁[2]。由此可见，采用科学合理的施工方案，对研究洞段的围岩大变形进行有效控制，是工程建设中亟待解决的问题。基于此，此次研究利用现场试验的方式对初选方案进行对比分析，以获得最佳施工方案。

2 现场试验设计

2.1 初选方案

在地下洞室工程支护施工方面，目前主要由屈服支护和阻力支护两大基本原则[3]，控制措施也主要有两个方面：一是通过注浆、打设锚杆等方式提高围岩的自承能力，二是通过增设套拱、强化拱架设计等方式采用合理的支护体系[4]。鉴于背景工程的围岩较为破碎，自持能力较差，因此应选择阻力支护原则，主要采用围岩加固和加强拱架等措施[5]。基于此，提出如下围岩大变形控制方案。

方案1：该方案的初支采用I18钢拱架和C25喷射混凝土，其厚度为25cm；二次衬砌为C35模筑混凝土，厚度为45cm。钢拱架的间距为0.8m，锚杆长度为3m，预留变形量设定为30cm。

方案2：该方案的初支采用I20钢拱架和C25喷射混凝土，其厚度为27cm；二次衬砌为C35模筑混凝土，厚度为45cm。钢拱架的间距为0.6m，锚杆长度为4m，预留变形量设定为40cm。

方案3：该方案的初支采用I20钢拱架和C25喷射混凝土，其厚度为27cm；二次衬砌为C35模筑混凝土，厚度为45cm。钢拱架的间距为0.6m，边墙锚杆长度为6.5m，预留变形量设定为40cm。

2.2 试验方法

此次试验选择桩号0+203～0+218洞段作为试验段，每种方案的试验长度为5m。在试验过程中利用不同的仪器设备对隧洞的围岩和支护体系的受力变形进行测量，了解隧洞在不同控制方案下围岩和支护体系的力学形态变化，以验证控制方案的科学性与合理性，以确定最佳施工方案。

在现场试验过程中，每种方案选择一个典型断面进行测量，3个典型断面分别位于0+205.5、0+210.5、0+215.5部位。由于3种方案均为3台阶开挖工法，因此三种方案均设置上、中、下台阶水平收敛线以及拱顶沉降监测点[6]。

试验过程中需要对衬砌结构和围岩的应力变形进行监测，因此在试验汇中需要埋设土压力盒、混凝土应变计，对3个测试断面的应力和位移进行监测[7]。其中，土压力盒主要用于围岩压力的监测；混凝土应变计主要用于衬砌混凝土的应力监测。在现场试验过程中按照环形开挖预留核心土工法，对试验仪器进行分步安装。其中，土压力盒埋设过程中，应该先清理好测试位置，使其表面平整，以保证压力盒受压面和测试位置的充分接触，然后将压力盒和围岩接触面的缝隙中填入水泥砂浆，保证压力盒面和测试位置充分接触。在混凝土应变计安装过程中，应该保证其受力方向和测试元件的轴线一致，然后紧固螺钉，保证试验过程中器件的稳定性，围岩的位移监测使用多点位移计[8- 9]。

3 试验结果与分析

3.1位移监测结果与分析

在方案1现场试验数据中提取监测断面各个监测点的位移数据，绘制出衬砌各部位的位移变形时程曲线，结果如图1所示。由图1可以看出，在隧洞开挖支护过程中，拱顶竖向位移和水平位移均在中台阶开挖过程中产生较大的位移，说明中台阶开挖对隧洞各监测部位的位移变形量影响较大。从具体的位移量累积结果来看，方案1的拱顶累计竖向位移量为167.8mm；上台阶累计位移量为322.2mm；中台阶累计位移量为591.7mm；下台阶累计位移量为315.2mm。由于下套接开挖时间和仰拱填充之间的间隔过短，因此中台阶的收敛变形量明显大于下台阶，这说明蠕变位移和之间存在较为明显的正比关系。同时，在仰拱填充之后，隧洞各部位的位移变形存在较为明显的放缓现象，说明结构成环对位移变形具有减缓作用。此外，在方案1的条件下，仰拱填充使支护结构成环后，各部位的变形均存在一定的放缓现象，但是并没有出现明显的收敛，因此该方案对变形的控制作用不甚理想。

图1 方案1位移时程曲线

在方案2现场试验数据中提取监测断面各个监测点的位移数据，绘制出衬砌各部位的位移变形时程曲线，结果如图2所示。由图2可以看出，在隧洞开挖支护过程中，各个监测部位的均出现较为明显的位移变形，且变化规律与方案1基本一致。从具体的位移量累积结果来看，拱顶累计竖向位移量为110.7mm；上台阶累计位移量为214.6mm；中台阶累计位移量为438.8mm；下台阶累计位移量为193.9mm。与方案1相比，各关键部位的累计位移量均有明显的减小。从过程来看，在下台阶开挖之后，位移变形开始增大，且仰拱填充后仍没有明显的收敛现象。在仰拱填充完成6d之后，各部位的结构变形基本趋于收敛。综合上述，方案2要优于方案1，虽然总体变形量仍较大，但最终能够实现稳定收敛，符合施工变形的控制预期。

图2 方案2位移时程曲线

在方案3现场试验数据中提取监测断面各个监测点的位移数据，绘制出衬砌各部位的位移变形时程曲线，结果如图3所示。由图3可以看出，拱顶累计竖向位移量为98.5mm；上台阶累计位移量为167.6mm；中台阶累计位移量为271.8mm；下台阶累计位移量为151.9mm。与方案2相比，各个关键部位的累计位移量又有进一步的减小。同时，在长锚杆施作之后，各个关键部位均达到稳定的变形收敛，符合施工预期，在3种方案中具有明显的额优势，可以实现良好的围岩变形控制效果。

图3 方案3位移时程曲线

3.2 衬砌主应力

根据试验中各方案个测点的最大主应力试验数据，提取出各个不同时间节点的最大主应力最大值，绘制出如图4所示的最大主应力时程曲线。由图4可以看出，支护方案1的最大主应力的变化范围较大，呈现出显著的波动上升并趋于稳定的变化的特征，其最小主应力的最大值出现在第36d，为23.4MPa，之后保持较大值并略有下降。与方案1相比，方案2的最大主应力时程曲线的变化范围相对较小，其最大值为17.2MPa，出现在第34d，由于围岩加固的叠加措施发挥作用，围岩应力在开挖过程中得到进一步缓慢释放。与方案1和方案2相比，方案3的最大主应力时程曲线变化范围更小，波动也比较平稳，其最大值为-6.2MPa，出现为第8d，在仰拱填充后最大主应力值大幅减小并趋于收敛。

图4 各方案最大主应力时程曲线

根据试验中各方案个测点的最小主应力试验数据，提取出各个不同时间节点的最小主应力最大值，绘制出的最小主应力时程曲线，如图5所示。由图5可以看出，支护方案1的最小主应力的变化范围较大，呈现出显著的明显的波动上升并趋于稳定的变化的特征，其最小主应力的最大值出现在第28d，为-67.1MPa，之后保持较大值并略有下降。与方案1相比，方案2的最小主应力时程曲线的变化范围相对较小，其最大值为-63.9MPa，出现在第18d，由于围岩加固的叠加措施发挥作用，围岩应力在开挖过程中得到进一步缓慢释放。与方案1和方案2相比，方案3的最小主应力时程曲线变化范围更小，波动也比较平稳，其最大值为-46.2MPa，出现为第10d，在仰拱填充后最小主应力值大幅减小并趋于收敛。从应力监测结果来看，方案1的可以实现最大主应力和最小主应力的有效控制为最佳方案。

图5 各方案最小主应力时程曲线

4 结语

穿越复杂地质环境的地下洞室工程施工中，必须要选择科学、合理的开挖支护工程方案，能保证工程施工的顺利进行和工程运行的安全性和稳定性。此次研究以现场试验的方法，对初选方案进行对比试验研究，获得适合背景工程实际的最佳方案。研究结果不仅可以为背景工程施工提供技术支持，保证工程施工的顺利进行和输水隧洞衬砌结构的安全性和稳定性，同时也可以为相关类似工程施工研究提供有益的借鉴。当然，随着水利工程建设技术的不断发展，大变形隧洞新型支护技术日渐增多，在今后的研究中，还应该侧重于施工新技术的开发和应用，构建起安全系数和施工效率更高的新型支护体系。