阿拉坦吐力古爾

（新疆塔城地區(qū)魯斯臺草原生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)管理局，新疆 塔城 834700）

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利水電工程建設(shè)成為當(dāng)前社會發(fā)展的重點(diǎn)方向，其中新建水電站項(xiàng)目中所涉及的輸水隧道工程施工過程中經(jīng)常存在圍巖變形的情況，其形成原因通常是由于高地應(yīng)力環(huán)境中巖體中能量通過應(yīng)變能釋放所導(dǎo)致，而在圍巖開挖后自穩(wěn)時(shí)間通常較短，將會產(chǎn)生較為顯著的圍巖流變效應(yīng)，此階段圍巖無法得到有效的支護(hù)將會導(dǎo)致圍巖變形的發(fā)展，甚至發(fā)生侵入隧道開挖凈空以及支護(hù)損毀的情況。目前新疆地區(qū)水利工程中輸水隧道工程的安全施工對于工程整體而言意義頗深，就目前輸水隧道的開挖現(xiàn)狀來看，采用科學(xué)、合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，對于確保水利工程中輸水隧道工程施工的安全以及圍巖的穩(wěn)定性具有重要的作用。

2 工程概況

木扎提河引水建設(shè)工程位于新疆拜城縣境內(nèi)，工程所在區(qū)域西北高、東南低，海拔高度為1 200～1 800 m，區(qū)域地貌形成以第三紀(jì)末開始的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升作用及裙皺作用為主導(dǎo)，以第四紀(jì)以來強(qiáng)烈的干燥侵蝕，流水侵蝕堆積，風(fēng)的吹蝕為改造營力，形成現(xiàn)在的地貌形態(tài)。根據(jù)地貌的成因及形態(tài)將此區(qū)域地貌分為四種：中、低山地貌，低山丘陵地貌，木扎提河沖洪積平原地貌，木扎提河谷地貌。

木扎提河引水建設(shè)工程內(nèi)容主要包括管線及隧道施工項(xiàng)目，根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)勘探結(jié)果顯示項(xiàng)目中輸水隧道區(qū)域圍巖地質(zhì)不理想，其巖性為粉砂巖和泥質(zhì)巖，地質(zhì)勘探結(jié)果顯示隧道洞身為Ⅲ類圍巖，并具有斷層破碎帶，而隧道進(jìn)出口為Ⅳ類圍巖，原設(shè)計(jì)為單一支護(hù)形式，但實(shí)際效果不理想，因此改用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，從而提升圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 工程支護(hù)設(shè)計(jì)分析

針對工程中輸水隧道頂部巖體松動(dòng)利用錨桿加固可有效防止折斷、冒落的現(xiàn)象；通過噴射混凝土則可將圍巖裂隙進(jìn)行密封，阻絕水流滲透；利用鋼筋網(wǎng)可以在使用錨桿固定后更對圍巖進(jìn)行加固處理，并通過將單一的錨桿進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而組成加固防護(hù)網(wǎng)絡(luò)，將圍巖的應(yīng)力分散。此外，由于錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)所使用材料的特性，使其具有較好的柔性，能夠適應(yīng)圍巖的變形，使其能夠在維持圍巖強(qiáng)度的同時(shí)滿足在較差的地質(zhì)條件下的支護(hù)需求。

3.1 錨網(wǎng)噴注漿加固工藝分析

在進(jìn)行輸水隧洞施工過程中通常會造成地質(zhì)應(yīng)力平衡受到破壞，并且隨著開挖等施工的進(jìn)行，將逐漸改變圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，當(dāng)局部區(qū)域的應(yīng)力分布較為呈現(xiàn)為集中且其數(shù)值大于圍巖強(qiáng)度時(shí)將會加劇圍巖彈塑性變形，且其中部分應(yīng)力將會得到釋放，但此狀態(tài)下圍巖仍具有承載力強(qiáng)度，若及時(shí)實(shí)施有效支護(hù)則仍能夠產(chǎn)生較好的支護(hù)效果。

錨網(wǎng)噴注漿加固工藝將圍巖作為施工的主要基礎(chǔ)，通過將其作為連續(xù)介質(zhì)的形式實(shí)現(xiàn)改變應(yīng)力分布狀態(tài)的目的，施工的最佳時(shí)間節(jié)點(diǎn)通常為隧道發(fā)生塑形變形并且釋放能量的過程中，主要的方式為在節(jié)理發(fā)生閉合后將形體分解的圍巖采用錨網(wǎng)噴注漿加固工藝處理，使其表面形成薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，從而重新形成統(tǒng)一的整體，并且在圍巖自承作用下起到更好的支護(hù)效果。

3.2 錨桿選型

在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，錨桿的選擇將會對錨桿支護(hù)效果產(chǎn)生一定的影響，其中錨桿的承載性能、規(guī)格以及布設(shè)方式、安裝形式以及圍巖地質(zhì)條件等均是重要的影響因素，因此在進(jìn)行錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)需要涉及各個(gè)相關(guān)因素：如錨桿在具有足夠強(qiáng)度情況下才能保障其在圍巖應(yīng)力改變時(shí)，既能產(chǎn)生良好的穩(wěn)定效果又能避免錨桿發(fā)生破裂；按照懸吊理論計(jì)算錨桿的長度、錨桿間排距計(jì)算（應(yīng)確保錨桿布設(shè)間距能夠保障圍巖在錨桿兩端作用下形成有效的壓力拱），錨桿的安裝時(shí)不可與節(jié)理裂隙面相平行避免發(fā)生支護(hù)失效；結(jié)合圍巖地質(zhì)條件調(diào)整支護(hù)施工工藝，選取適用規(guī)格的錨桿以發(fā)揮出其支護(hù)作用。目前工程建設(shè)中所使用的錨桿類型較多，因此需要根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行錨桿參數(shù)的計(jì)算及選型，案例工程中采用錨桿支護(hù)采用快速施工技術(shù)，并根據(jù)施工情況選擇適當(dāng)調(diào)整墊片與錨桿頭的數(shù)量，可有效地增加實(shí)際工程中的支護(hù)效果。案例工程中所采用的錨桿以及幫錨桿規(guī)格為?22 mm、長度2 m，間排距為1 m。

3.3 噴射混凝土及掛鋼筋網(wǎng)實(shí)施方案

工程中支護(hù)施工以《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)，并采用最小覆蓋厚度，表示為：

式中：γw表示為水的重度（單位：kN/m3，此研究中取值為10 kN/m3）；γr表示為巖體重度，（單位：kN/m3，此研究中取值為23 kN/m3）；D表示為最小覆蓋厚度（單位：m）；H表示為最大內(nèi)水壓力水頭（單位：m，此研究中取值89 m）；K表示為施工中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（此研究中K取值為1.15）；α表示為坡面傾角（當(dāng)α＞45°時(shí)取值為45°）。

通過計(jì)算得到隧道最小的覆蓋厚度為60.23 m，對于工程中土層覆蓋厚度低于此計(jì)算結(jié)果的則需要開展特殊的工程處理：案例工程中土層厚度不達(dá)標(biāo)的洞段主要集中在（0+603.72～0+756.65 m），經(jīng)過協(xié)商研究后決定該洞段增加內(nèi)襯鋼管，其他洞段使用混凝土襯砌；工程中混凝土型號為C25；由于隧道存在不同類型的圍巖，因此針對各類型圍巖采用相對應(yīng)的支護(hù)方案（如表1所示）。

表1 不同圍巖分類對應(yīng)的支護(hù)措施表

4 輸水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析

此研究中采用仿真軟件Flac 3d對案例工程隧洞圍巖的進(jìn)行穩(wěn)定性分析：對不同工況（實(shí)施錨噴/未實(shí)施錨噴）下的圍巖塑性進(jìn)行模擬分析；繪制圍巖灌漿圈最大/最小應(yīng)力分布圖；一次開挖成巷后隧道壁施加應(yīng)力擾動(dòng)載荷，探究圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。洞身段支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示、材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 施工中所用材料力學(xué)參數(shù)表

圖1 洞身段支護(hù)形式示意圖

4.1 圍巖應(yīng)力

根據(jù)案例工程中實(shí)際的地質(zhì)情況選擇平衡拱原理作為圍巖應(yīng)力計(jì)算方式，當(dāng)隧道開挖后頂拱區(qū)域的巖石在上部壓力作用下將造成結(jié)構(gòu)的垮落，從而構(gòu)成拱形結(jié)構(gòu)，其高度與垮落的持續(xù)時(shí)間具有直接聯(lián)系。此時(shí)圍巖的壓力主要來源為平衡拱與襯砌之間破碎巖體的自重，使用公式可以表示為：

式中：p表示為巖體密度（kg/m3）；g表示重力加速度（m/s2）；

結(jié)合隧道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，工程中Ⅲ類、Ⅳ類圍巖的平衡拱高度分別取值為150、200 cm；經(jīng)過計(jì)算Ⅲ類圍巖平衡拱半跨為450 cm、拱面積為963.44 cm2；Ⅳ類圍巖平衡拱半跨為486 cm、拱面積實(shí)測為1 082 cm2。

通過上述參數(shù)計(jì)算可以得到Ⅲ類、Ⅳ類圍巖的平衡拱圍巖壓力，即：

4.2 隧洞混凝土襯砌段結(jié)構(gòu)受力分析

襯砌段中主要荷載是由山體壓力、襯砌重量以及水壓力所構(gòu)成，襯砌內(nèi)力力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 隧洞混凝土襯砌段結(jié)構(gòu)內(nèi)力力學(xué)參數(shù)表

4.3 構(gòu)建模擬計(jì)算網(wǎng)格

研究中所構(gòu)建的模擬計(jì)算網(wǎng)格為實(shí)際結(jié)構(gòu)的一半，大于模擬邊界至隧洞距離3倍，邊界約束條件設(shè)置為上邊界自由及單連桿約束，研究中所構(gòu)建的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格圖

4.4 模擬結(jié)果及穩(wěn)定性分析

隧道在未錨噴（工況一）以及錨噴（工況二）狀態(tài)下的屈服區(qū)分布情況、灌漿圈最大/最小主應(yīng)力分布情況分別如圖3、圖4所示。

圖3 隧道不同工況下屈服區(qū)分布示意圖

圖4 灌漿圈最大/最小主應(yīng)力分布情況圖

根據(jù)上述分析結(jié)果顯示，隧道斷面圍巖強(qiáng)度較低，且?guī)r性狀態(tài)不佳，屈服區(qū)主要存于頂?shù)装?0°區(qū)域，深度為0.62～1.64 m，為防止洞壁周圍發(fā)生較大面積的屈服失穩(wěn)，應(yīng)及時(shí)采用加錨噴灌漿支護(hù)。工程案例采用錨噴灌漿支護(hù)施工后有效地提升了圍巖強(qiáng)度，并且在相等的應(yīng)力下圍巖產(chǎn)生的屈服面積有效地減少，在實(shí)際施工中能夠產(chǎn)生極為理想的穩(wěn)定效果。

5 結(jié)論

錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在隧道工程施工中具有顯著的效果，能夠提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，對整體支護(hù)結(jié)構(gòu)起到較好的支護(hù)作用，因其優(yōu)異的特性必將使其成為在今后隧道加固工程中的主要應(yīng)用技術(shù)。此研究結(jié)合實(shí)際工程案例展開對錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用分析，驗(yàn)證了錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對提高圍巖穩(wěn)定性的效果，因此，在未來的隧道工程施工中強(qiáng)化錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的研究與發(fā)展，可以不斷提升工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，能夠工程建設(shè)的安全性提供有力的支持。