韋愛思

(廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 河池 547000)

水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定分析及支護(hù)設(shè)計

韋愛思

(廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 河池 547000)

水電工程引水隧洞施工具有開挖路線長、工程量大、開挖洞徑大等特點。在施工過程中受不良地質(zhì)的影響容易出現(xiàn)涌泥、涌水、坍塌等事故。本文以良灣水電站引水隧洞為例，對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析和論證，并對圍巖初期支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計，為洞室結(jié)構(gòu)施工提供有效參考。

水電站；引水隧洞；圍巖穩(wěn)定；支護(hù)設(shè)計

1 工程概況

良灣水電站為引水發(fā)電工程，位于廣西河池市鳳山和巴馬兩縣交界地段的盤陽河上。引水壩為開敞式溢流重力壩，最大壩高15m，堰頂高程408.00m。電站設(shè)計水頭106.10m，裝機(jī)2×25MW。引水系統(tǒng)由明渠和無壓隧洞組成，設(shè)計流量27.40m/s，全長9628.80m，其中，明渠3段，共長575m，編號1～3號，無壓隧洞9053.80km，分5段，最長洞段為2號隧洞2段(長3187.60m)，隧洞為城門洞形斷面，寬4.20～4.70m、高6.40～6.70m。

2 引水隧洞地質(zhì)狀況

隧洞沿線地層為C2或C3厚—巨厚層灰?guī)r、白云巖，圍巖巖體工程分類為Ⅱ、Ⅲ類，穩(wěn)定性較好，但由于存在較多溶洞、落水洞，1號隧洞可能遇到穿越地下河，2號隧洞上游段橫交兩條斷層，2號隧洞近出口一段可能與馬安洞相遇，不確定因素多，地質(zhì)條件復(fù)雜。隧洞進(jìn)、出口處一般山體較陡，覆蓋層較薄，或巖石裸露，易成洞。巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

由于隧洞的開挖、襯砌和灌漿施工會對原有的巖體結(jié)構(gòu)造成破壞，洞室圍巖受地下水、重力、應(yīng)力釋放等荷載因素的影響，會出現(xiàn)徑向位移，為保證隧洞施工的順利開展，需對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，針對性選擇支護(hù)參數(shù)。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬計算方案

該工程利用非線性有限元分析方法，對施工順序和水荷載等進(jìn)行仿真計算，在計算過程中必須充分考慮灌漿圈和灌漿圈滲透系數(shù)的實際變化情況，對不同工況下水荷載的作用歷史進(jìn)行分析，具體計算方案見表2。

表2 數(shù)值模擬計算方案

第一種工況如下：初始地應(yīng)力(0級加載)+初始滲流場(第1級加載)+輔助洞開挖，瞬時滲流力(第2級加載)和輔助洞支護(hù)，滲流力(第3級加載)+四條引水洞的開挖，瞬時滲流力(第4級加載)+四條引水洞支護(hù)，最終在穩(wěn)定狀態(tài)下滲流力(第5級加載)。

第二種工況如下：完成初始地應(yīng)力(0級加載)和初始滲流場(第1級加載)+輔助洞開挖并完成支護(hù)，滲流力(第2級加載)+四條引水洞的開挖和支護(hù)，并進(jìn)行第3級滲流力的加載。

3.2 計算結(jié)果分析

在實際分析中選擇方案(5)進(jìn)行數(shù)值模擬說明，為證明不同支護(hù)時間對圍巖穩(wěn)定性造成的影響，在進(jìn)行模擬分析過程中應(yīng)力按照總應(yīng)力進(jìn)行分析，位移按照增量位移進(jìn)行分析。輔助洞開挖完成后，產(chǎn)生的最大垂直位移為2.60cm,產(chǎn)生的最大水平位移為1.20cm[2]。根據(jù)洞室周邊的主應(yīng)力分布情況可直接分析出因滲流場變化以及地下洞室開挖地應(yīng)力釋放造成的圍巖應(yīng)力重新分布基本規(guī)律，此時下拱頂最大應(yīng)力值為95.52MPa。此外，拱腳和側(cè)墻底部也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大壓應(yīng)力為94.68MPa。在輔助洞周邊所形成的塑性區(qū)應(yīng)當(dāng)控制在3m以內(nèi)。

由于輔助洞噴錨支護(hù)完成后其自身只需要承擔(dān)第二、三級變量水平荷載，并且和巖體共同承擔(dān)，因此，在這種狀態(tài)下巖體所產(chǎn)生的增量位移極小，而支護(hù)的應(yīng)力也比較小[3]。輔助洞支護(hù)完后即可進(jìn)行引水洞的開挖施工，開挖施工時允許的最大水平位移為2.02cm，垂直方向上允許出現(xiàn)的最大位移為4.79cm(見圖1)，塑性區(qū)范圍為3m。

圖1 引水隧洞開挖后σ1分布(單位： kPa)

使用非線性有限元分析法對引水隧洞進(jìn)行滲控計算和對圍巖以及襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)模擬和計算后，得到如下結(jié)論：

a. 由于圍巖和加固復(fù)合體屬于地下洞室的核心承載結(jié)構(gòu)，因此，在施工期間要對涌突水段進(jìn)行超強(qiáng)預(yù)注漿處理，并適時進(jìn)行噴錨支護(hù)、二次高壓固結(jié)灌漿以及較強(qiáng)透水性襯砌支護(hù)，確保隧道圍巖承載力可以達(dá)到設(shè)計要求并能夠和支護(hù)體系聯(lián)合形成承載體，共同承擔(dān)外水壓力。

b. 對于涌突水洞段應(yīng)當(dāng)采用預(yù)注漿施工，將動態(tài)水變?yōu)殪o態(tài)水。二次固結(jié)灌漿完成后，隧洞10～15m范圍內(nèi)的巖體會形成具有良好抗?jié)B性的灌漿承載圈，滲透系數(shù)會達(dá)到(10-6～10-7)cm/s，可以將具有極高壓力的地下水控制在灌漿圈之外，與此同時輔以透水性較強(qiáng)的襯砌支護(hù)，可以保證結(jié)構(gòu)的自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)更能將隧洞施工和運行過程中對水文地質(zhì)產(chǎn)生的影響降至最低。

c. 由于灌漿圈深度對結(jié)構(gòu)計算的影響主要體現(xiàn)在滲流荷載差異上，因此，當(dāng)灌漿圈的深度產(chǎn)生變化后會對自身承受的滲流荷載產(chǎn)生較大的影響，而對襯砌、圍巖的位移和支護(hù)應(yīng)力影響不大。一般來說，灌漿圈的深度主要是由耐久性滲流比降、塑性區(qū)范圍、施工能力決定的，因此，建議將超強(qiáng)預(yù)注漿深度控制在15m以上，將涌突水洞段的二次高壓固結(jié)灌漿深度控制在10～15m。

d. 在隧洞中形成的混凝土襯砌其自身并不承擔(dān)因為隧道開挖和初始地應(yīng)力釋放調(diào)整所產(chǎn)生的圍巖壓力和外水壓力，僅僅起到減少粗糙率，保證圍巖不再受到水流沖刷和腐蝕，最終為圍巖灌漿提供表面封閉層的基本作用。為了避免外水對襯砌結(jié)構(gòu)造成巨大破壞，必須保證襯砌自身具有良好的滲透性，即襯砌和灌漿之后的圍巖滲透系數(shù)應(yīng)當(dāng)接近[4]。

e. 為了保證分析結(jié)果具有代表性，在滲控和結(jié)構(gòu)分析過程中主要選擇最為不利的斷面進(jìn)行分析。但事實上隧洞中的絕大多數(shù)圍巖都是完整的，而天然巖體的滲透系數(shù)本來就很小，因此絕大多數(shù)隧洞路段并不需要進(jìn)行二次高壓固結(jié)灌漿，只需要對涌水洞段、圍巖存在滲水段、開挖后存在滲漏的洞段進(jìn)行二次高壓固結(jié)灌漿。

4 支護(hù)設(shè)計

4.1 支護(hù)設(shè)計基本思路

a. 引水隧洞支護(hù)根據(jù)圍巖承載受力情況進(jìn)行設(shè)計，最大限度發(fā)揮圍巖承載力，采用二次高壓固結(jié)灌漿和噴錨支護(hù)等措施對圍巖進(jìn)行加固，最終促使圍巖和噴錨支護(hù)組合成為聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)。

b. 隧洞涌突水地段應(yīng)當(dāng)通過輔助洞施工或者超前鉆探，并采取預(yù)注漿的方式對其進(jìn)行封堵。巖面滴水地段或者涌水量不大的地段，采用后灌漿以及引排水處理的措施進(jìn)行處理，然后對隧洞進(jìn)行襯砌支護(hù)和二次高壓固結(jié)灌漿處理，提升圍巖的抗?jié)B性和承載力。

c. 巖爆強(qiáng)度較低時，隧洞初期的支護(hù)可以采取隨機(jī)錨桿支護(hù)，但當(dāng)巖爆強(qiáng)度極大時，則應(yīng)當(dāng)鉆設(shè)應(yīng)力釋放孔，必要時可采取預(yù)應(yīng)力錨桿和噴鋼纖維混凝土聯(lián)合支護(hù)的方式對其進(jìn)行防護(hù)。

d. 在Ⅲ類圍巖地段巖體整體性較差的情況下，開挖之后圍巖會產(chǎn)生一定的塑性變形，在初始階段不經(jīng)過支護(hù)可能產(chǎn)生局部塌方或者塑性破壞。而該類地段圍巖節(jié)理和溶蝕裂縫不斷發(fā)育，在這種狀態(tài)下往往會存在滴水和線狀水以及較大面積的滲水現(xiàn)象，而溶蝕裂隙較為發(fā)育的洞段則會出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象[5]。在隧洞頂拱和兩側(cè)應(yīng)當(dāng)借助長度為4.5～6.0m的系統(tǒng)錨桿以及噴鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù)。對可能產(chǎn)生巖爆的地段，則應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加錨桿密度，增加噴層的基本厚度。

e. Ⅳ類圍巖地段指的是巖體破碎的堅硬巖體或者巖體完整的軟巖地段，軟巖和較軟巖容易產(chǎn)生塑性變形，脆性巖自穩(wěn)時間短，圍巖很容易出現(xiàn)大面積垮塌的情況[6]。因此，在開挖隧道時使用鋼格柵、超前錨桿、噴鋼纖維混凝土、系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，永久性襯砌支護(hù)采用50cm厚模鑄鋼筋混凝土襯砌。

4.2 支護(hù)設(shè)計

4.2.1 隧道初期支護(hù)參數(shù)初擬設(shè)定

根據(jù)上述設(shè)計思路、隧洞沿線地層巖性及圍巖類別的差別，擬定引水隧洞初期支護(hù)參數(shù)和支護(hù)的基本范圍(見圖2、圖3)。采用長度為6m、直徑25mm的超前預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)，噴射鋼筋纖維混凝土，噴射厚度為10cm，應(yīng)力釋放孔直徑為48mm,長度為3m。

圖2 初期支護(hù)典型圖(Ⅱ類圍巖，超高應(yīng)力區(qū))

圖3 初期支護(hù)典型圖(Ⅴ類圍巖)

4.2.2 隧洞永久襯砌結(jié)構(gòu)的型式初擬

圖4 隧洞襯砌典型圖(Ⅱ類、Ⅲ類圍巖)

圖5 隧道襯砌典型圖(Ⅴ類圍巖)

初期擬定的不同圍巖類別永久襯砌的結(jié)構(gòu)型式存在一定差別，隧洞典型襯砌支護(hù)斷面見圖4、圖5。Ⅱ類和Ⅲ類圍巖隧洞采用C25鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌，襯砌厚度為50cm，Ⅴ類圍巖襯砌設(shè)計時配雙層筋，襯砌厚度為85cm。

5 結(jié) 語

良灣水電站由于其地形、地勢因素，引水隧洞圍巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。該工程引水隧洞襯砌采用的是針梁式全圓臺車施工方案，該方案與施工現(xiàn)場具體情況一致。需要提高方案設(shè)計的科學(xué)性和合理性，施工期間確保圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時，在施工中做好排水工作，全面準(zhǔn)確掌握支護(hù)型式及具體參數(shù)，充分發(fā)揮其指導(dǎo)作用。

[1] 朱維申，何滿潮.復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖石動態(tài)施工力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1996.

[2] DL 5077—1997 水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1998.

[3] SL 303—2004 水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社.2004.

[4] 孫金庫，冉懋鴿. 科卡科多水電站引水隧洞灌漿加固方法[J].中國水能及電氣化，2014(12)：15-18.

[5] 胡連興，鐘登華，佟大威.不良地質(zhì)條件下長距離引水隧洞施工全過程進(jìn)度仿真與實時控制研究[J].巖土工程學(xué)報，2012(3):497-504.

[6] 項慶偉，徐景偉.長有壓引水隧洞設(shè)計初探[J].四川水力電，2007(2):86-89.

Stability Analysis and Support Design of Surrounding Rock of Diversion Tunnel of Hydropower Station

WEI Aisi

(SurveyandDesignResearchInstituteofHechiWaterConservancyandElectricPowerofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Hechi547000,China)

The diversion tunnel construction of hydropower project has long excavation route, large engineering quantity and large excavation tunnel diameter with features. Besides, gushing mud, gushing water, collapse and other accidents are more likely to occur in the construction process affected by unfavorable geology. Taking the diversion tunnel of Liang wan hydropower station as an example, this paper carries out the calculation, analysis and demonstration of surrounding rock stability and designs the initial support scheme of surrounding rock, which can be regarded as an effective reference for the construction of tunnel structure.

hydropower station; diversion tunnel; surrounding rock stability; support design

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.017

TV732

B

1673-8241(2017)01- 0060- 04