让压钢拱架在软岩大变形输水隧洞的应用研究

陈琦琛

（沈阳中天水利工程有限公司，辽宁新民 110300）

1 工程背景

观音阁输水工程是辽宁省“十一五”和本溪市“十二五”规划建设的重要水利基础设施项目，同时也是国家172项重大水利工程建设项目之一[1]。观音阁输水工程的水源为观音阁水库，将观音阁水库的水经过输水隧洞和管线自流输送到下游的本溪市。工程建成之后，将极大提高城市的供水保障率。同时，采用封闭式的输水隧洞和管线供水，可以有效避免工程沿线各种水污染事件的影响，大幅提升供水水质[2]。观音阁输水工程的输水隧洞二标段施工过程中，当施工至S11+553洞段时，现场的围岩情况与地质调查和原设计不符，其围岩主要是千枚岩化炭质片岩为主，围岩的岩体强度明显偏低，同时裂隙和节理发育。在后续的开挖施工过程中，围岩出现了大变形的现象，最大拱顶沉降和水平收敛位移分别达到了505 mm和843 mm。初期支护结构也出现了不同程度的破坏。

在地下洞室结构施工过程中，一般会选用工字型钢拱架作为初期支护系统的重要构成部分。但是在大变形软岩施工洞段，工字型钢拱架的设计和使用面临着较大的挑战[4]。基于此，设计一种刚柔并济的释能支护理念逐渐进入工程设计和研究领域[5]。此次研究以具体的工程背景为依托，提出一种让压钢拱架初支结构，通过现场对比实验，确定其工程应用价值。

2 让压钢拱架的具体设计

2.1 设计原理

在地下洞室工程施工过程中，软岩洞段围岩大变形具有时间维度的累加性特点，同时变形量往往相对较大，围岩变形呈现出动态连续并逐渐累加的变化特点。针对上述围岩变形特点，采用传统的刚性拱架结构进行支护，往往会承受较大的围岩变形压力，如果其超过了钢拱架的承载极限，就会面临严重施工安全问题[6]。孙钧院士通过研究指出，在软岩大变形地下洞室工程恒阻的支护过程中，传统锚杆并不能发挥长期稳定的作用，需要采取能够适当伸缩的喷锚支护结构。传统的钢拱架和锚杆具有类似的特征，都不具备释放围岩变形的功能。针对研究洞段的实际情况，应该对钢拱架的结构进行创新性设计，在不显著影响其结构强度的前提下，使其具备一定的让压功能，达到吸收围岩中积聚的能量并将其释放到外界的目的，从而减小钢拱架拱身的压力，为围岩岩体的稳定变形提供恒定的阻力，这不仅有利于延长支护结构的寿命，对输水隧洞的长期稳定性也较为有利。

2.2 让压装置

为了使钢拱架具有释能功能，需要在拱架的刚性结构基础上设置让压装置。结合钢拱架的实际特点，选择张传庆等人联合研发的新型恒阻让压装置[7]，其基本结构和工作原理分别如图1和图2所示。该装置主要由拉压转换板、让压杆、四周侧板及带锥孔的中空板组成。其中，让压杆可以分为3个杆段：第一杆段穿过中空顶板的锥孔部位，并固定在拉压转换板上；第二杆段保持和中空的顶板锥孔一致；第三杆段直径大于第一杆段，且位于中空顶板上。让压杆围绕中空顶板呈对称结构布置，每排让压杆的个数需要根据实际工程进行调整。

图1 恒阻让压装置基本结构

图2 恒阻让压装置工作原理

在装置的工作过程，钢拱架的节点端穿过装置的中空顶板直接作用在拉压转换板上，并对其产生竖向压力P，拉压转换板将竖向压力P转换为作用于让压杆的拉力。随着输水隧洞围岩的变形，钢拱架的内力逐渐增大，会导致P值的增大，并传导至让压杆的第一杆段。鉴于第三杆段的直径较大，当拉力增加到特定阈值之后，第二杆段将产生缩径变形，并逐渐通过锥孔，而拉压转换板也会同步向下移动，最终实现钢拱架的恒阻让压，其产生的让压位移为Δu。

2.3 设计参数

基于新型恒阻让压装置的让压钢拱架的支护效果和让压装置的布置位置、数量及工字钢型号具有十分密切的联系。研究中，结合上述3个指标，针对轻微大变形及中等大变形两种不同的围岩特征，确定让压钢拱架的设计参数，结果见表1。

表1 让压钢拱架支护参数

3 支护效果试验分析

3.1 现场试验设计

为了验证让压钢拱架的支护效果，研究中选择S11+570～S11+590洞段作为试验段。其中，S11+570～S11+580洞段采用传统钢拱架支护设计，S11+580～S11+590洞段采用让压钢拱架支护设计。

在实验中，主要对隧洞的位移和钢拱架应力进行监测。采用比较成熟可靠的监测手段，对隧洞各个关键部位进行监控和量测[8]。其中，压力盒埋设在初支和围岩之间，将压力盒绑扎在钢拱架上，盒底要平整并紧贴拱架的背部，避免出现应力集中。由于钢拱架和围岩之间存在一定的间距，因此，在施工中需要将其背部喷射密实，以保证围岩压力的正常传递。位移变形采用表面应变计进行测量，在试验过程中将其和固定卡扣安装好，利用焊接的方式连接在钢拱架上，然后再安装固定测试应变计。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 位移

根据试验中获得的位移数据，统计出不同钢拱架支护方案下的围岩关键部位位移量，结果见表2。由表2的结果可以看出，支护方式的改变并不会对围岩变形的基本规律产生明显的影响，围岩变形仍旧主要集中于拱顶和底板，这两个部位的位移变形量相对较大，其余部位的变形偏小。对比两种不同方案相同部位的位移试验结果来看，采用让压钢拱架支护结构设计时，围岩各个关键部位的变形量明显偏大，因此，在支护过程中更有利于围岩中积聚能量的释放，有效避免钢拱架被过早压坏，所以比传统的刚性钢拱架更有利于隧洞的稳定。

表2 围岩位移监测结果mm

3.2.2 拱架受力

根据试验结果，统计出不同钢拱架支护方案下的钢拱架关键部位轴向应力值，结果见表3。由表3的结果可以看出，两种不同钢拱架支护结构的钢拱架轴向应力分布规律存在比较明显的差异性。在传统的刚性钢拱架结构下，最大轴向应力值出现在右拱脚的部位，在让压钢拱架结构下，最大轴向应力值位于右边墙的部位。在同一部位，让压钢拱架的轴向应力值明显偏小，两者之间的差值最大约225.0 MPa。此外，在传统刚性钢拱架支护结构下，钢拱架的最大轴向应力值达到了329.5 MPa，已经超过215.0 MPa结构的屈服极限，说明钢拱架已经基本失去支护功能。让压型钢拱架的最大轴向应力值为104.6 MPa，还有相当的强度储备空间，可以为围岩提供有效的支护功能。

表3 钢拱架轴向应力值MPa

总之，采用让压钢拱架支护结构时，其位移量明显增大，并有效释放了围岩中聚集的能量，使让压钢拱架的轴力相对较小，存在较大的强度储备，有利于隧洞的长期稳定性，因此支护效果明显较好，可以在工程设计建设中使用。

4 结语

研究中，针对观音阁输水工程输水隧洞软岩大变形洞段的实际情况，根据刚柔并济的支护理念，将新型让压装置安装在普通刚性钢拱架上，形成让压钢拱架结构。现场试验结果显示，采用让压钢拱架支护结构，可以取得更为明显的支护效果，可以在工程设计建设中使用。当然，让压钢拱架的作用机理与支护效果十分复杂，影响因素众多，在今后的研究中，需要就不同岩性及不同层间距条件下的让压钢拱架支护效果进行研究，为让压钢拱架的工程应用提供更为坚实的基础。