緬甸巴魯昌3號(hào)水電站引水隧洞噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)

張文濤

地下工程噴錨支護(hù)的設(shè)計(jì)方法很多，特別是近30年來(lái)，有限元在模擬地下工程噴錨支護(hù)計(jì)算中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它能模擬圍巖彈塑性、粘彈塑性及巖石層狀和節(jié)理裂隙等力學(xué)特征，因而成

為分析地下工程的強(qiáng)有力手段。但是，由于巖體本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜、力學(xué)參數(shù)和邊界條件很難準(zhǔn)確確定，因此有限元計(jì)算受人為因素影響也比較大，結(jié)果帶有一定的隨機(jī)性。其他各種模擬方法也都有一定的適用性和局限性。所以，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)地下工程的噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)仍以工程類比法為主。同時(shí)，對(duì)于開(kāi)挖直徑(寬度)小于10 m的隧洞，亦常采用彈性理論或彈塑性理論對(duì)工程類比結(jié)果進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，在施工過(guò)程中加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以確保隧洞支護(hù)方式安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

1 工程類比法與理念計(jì)算法

1.1 工程類比法

工程類比法是建立在研究大量工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)字和觀測(cè)成果基礎(chǔ)上的，結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的工程設(shè)計(jì)。工程類比法通常分直接法和間接類比法兩種。直接法一般根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、洞室埋深、工程的形狀與尺寸及施工條件等，將設(shè)計(jì)工程與上述條件基本相同的已建工程進(jìn)行對(duì)比，由此確定支護(hù)類型及參數(shù)。間接法一般是根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，按照圍巖分類結(jié)果確定各種參數(shù)。工程類比法的設(shè)計(jì)原則是:1)以已建工程的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐為依據(jù)，進(jìn)行綜合分析比較，要搞清所設(shè)計(jì)工程的基本條件，不能生搬硬套;2)分清圍巖破壞是屬于整體穩(wěn)定性問(wèn)題還是局部穩(wěn)定性問(wèn)題;3)最終確定的支護(hù)參數(shù)還要接受監(jiān)控設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正。

1.2 理論計(jì)算法

理論計(jì)算法由來(lái)已久，對(duì)于洞室圍巖穩(wěn)定分析研究，20世紀(jì)50年代前，主要采用彈性和彈塑性理論分析計(jì)算圍巖壓力、變形及穩(wěn)定性。自50年代以來(lái)，人們已認(rèn)識(shí)到巖體的流變現(xiàn)象，于是又將流變理論引入到巖體力學(xué)，至70年代，巖體流變特性及巖體流變地壓的研究已非常活躍。80年代以來(lái)，彈塑性和流變分析仍是主流。同時(shí)損傷、斷裂、擴(kuò)容及膨脹耦合作用等圍巖力學(xué)模型已成為研究的熱點(diǎn)。在工程實(shí)踐中，當(dāng)隧洞跨度及高度小于10 m時(shí)，通常采用彈性和彈塑性平衡理論對(duì)圍巖變形及穩(wěn)定進(jìn)行分析。

彈塑性平衡理論主要有Fenner公式、Caquot公式、Kerisdl公式等，其計(jì)算理論均有假定條件及適用條件。當(dāng)采用彈塑性平衡理論分析計(jì)算時(shí)，F(xiàn)enner公式假定支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖發(fā)生共同變形，通過(guò)計(jì)算塑性圈內(nèi)的徑向應(yīng)力或徑向位移量來(lái)確定圍巖壓力。使用Fenner公式困難在于塑性圈的半徑不易確定，因?yàn)樗苄匀Φ臄U(kuò)展范圍是隨著時(shí)間而變化的，而且塑性圈的形狀并不總是規(guī)則的圓環(huán)。通常對(duì)于側(cè)壓力系數(shù)λ=1的隧洞，圍巖壓力計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際情況。對(duì)于側(cè)壓力系數(shù)λ≠1的隧洞，圍巖壓力只能采用近似方法計(jì)算，所得結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有一定出入。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

巴魯昌3號(hào)電站(BLC3)位于緬甸國(guó)克耶邦境內(nèi)，距其首府壘固的東南方向約25 km。BLC3為巴魯昌河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第三個(gè)電站項(xiàng)目，位于巴魯昌河下游河段，工程任務(wù)以發(fā)電為主，電站裝機(jī)容量2×26 MW，發(fā)電量334 GWh/年。

引水隧洞工程位于巴魯昌河下游地區(qū)的右岸，上游端緊靠并連接著現(xiàn)有的巴魯昌2號(hào)發(fā)電站(BLC2)尾水渠區(qū)域的下游，引水隧洞后接前池，前池由壓力鋼管直接接廠房。進(jìn)水口底板高程確定為334.802 m，設(shè)計(jì)引用流量為39.5 m3/s，過(guò)水?dāng)嗝娣e14.65 m2，出口洞底高程331.044 m，隧洞總長(zhǎng)4 321 m，最大埋深約220 m。隧洞斷面形式為馬蹄形(R2=2R1)，襯砌后斷面尺寸為R2×R1=4.9 m ×2.45 m。

2.2 引水隧洞地質(zhì)條件

隧洞沿線巖性為石灰?guī)r和千枚巖。石灰?guī)r的構(gòu)成屬于古生代三疊紀(jì)撣邦地區(qū)白云石群。千枚巖是屬于前寒武紀(jì)且分布在石灰?guī)r以下，大部分分布不一致。發(fā)電引水隧洞全線穿越上述兩種巖層，比例各為一半。引水隧洞逐段斷面比例中Ⅰ，Ⅱ類圍巖斷面約占隧洞長(zhǎng)度10%，Ⅲ類的圍巖斷面約占隧洞長(zhǎng)的30%;Ⅳ類的圍巖斷面約占隧洞長(zhǎng)的40%;Ⅴ類的圍巖斷面約占隧洞長(zhǎng)的20%，總計(jì)100%。

地下水位在洞線以下，對(duì)成洞條件無(wú)影響。

表1 引水隧洞圍巖分類及地質(zhì)參數(shù)

2.3 圍巖分類

根據(jù)水利水電工程圍巖分類法、Q系統(tǒng)分類法對(duì)巴魯昌3號(hào)水電站引水隧洞圍巖進(jìn)行了分類，參照DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范，初步確定錨噴支護(hù)類型及其參數(shù)表見(jiàn)表1。

3 工程類比法應(yīng)用

本工程主要以工程類比間接法進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要依據(jù)DL/T 5195-2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范、GB 50086-2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范、SL 377-2007水電地下工程錨噴支護(hù)施工技術(shù)規(guī)范等相關(guān)規(guī)范及國(guó)外經(jīng)常使用的Q系統(tǒng)法，對(duì)本工程隧洞圍巖進(jìn)行細(xì)分，并以此為依據(jù)，初步選擇噴錨支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 引水隧洞噴錨支護(hù)參數(shù)表

4 理論計(jì)算法復(fù)核計(jì)算

隧道圍巖是否穩(wěn)定決定于圍巖應(yīng)力重分布后的大小，包括環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力;其中環(huán)向應(yīng)力是控制隧道破壞的主導(dǎo)因素。Ⅰ，Ⅱ類圍巖穩(wěn)定，噴薄層混凝土僅為防止進(jìn)一步風(fēng)化，Ⅲ類～Ⅴ類圍巖需采取結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行支護(hù)，現(xiàn)根據(jù)表2中初步選用的支護(hù)參數(shù)，分析計(jì)算Ⅲ類～Ⅴ類圍巖的噴錨支護(hù)穩(wěn)定性，主要計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 隧洞圍巖噴錨支護(hù)理論計(jì)算成果表

從表3計(jì)算結(jié)果可以得出，上述圍巖在按照表2確定的支護(hù)參數(shù)支護(hù)后，圍巖穩(wěn)定性好。

隧道初期噴錨支護(hù)屬柔性支護(hù)，合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)該是支護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻力能夠允許圍巖產(chǎn)生一定的塑性變形，又能夠控制圍巖的塑性變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承作用。其中隧道位移計(jì)算結(jié)果，亦可作為監(jiān)測(cè)工作的依據(jù)之一，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以達(dá)到最佳支護(hù)參數(shù)，確保隧洞支護(hù)方式安全、經(jīng)濟(jì)、合理。表2中的支護(hù)參數(shù)在理論上可根據(jù)圍巖埋深及其他條件進(jìn)一步的優(yōu)化，但在施工過(guò)程中錨桿支護(hù)參數(shù)應(yīng)盡量歸并統(tǒng)一，以避免因支護(hù)參數(shù)過(guò)多，引起施工混淆。

5 結(jié)語(yǔ)

1)工程類比分析法對(duì)洞徑不大的隧洞圍巖穩(wěn)定性可快速作出判斷，并可及時(shí)提出支護(hù)措施。

2)對(duì)洞徑小于10 m的隧洞，可采用彈性理論或彈塑性理論對(duì)工程類比結(jié)果進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并通過(guò)理論計(jì)算，可進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。但在施工過(guò)程中錨桿支護(hù)參數(shù)應(yīng)盡量歸并統(tǒng)一，以避免因支護(hù)參數(shù)過(guò)多，引起施工混淆。

3)隧道位移計(jì)算結(jié)果，亦可作為監(jiān)測(cè)工作的依據(jù)之一，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以達(dá)到最佳支護(hù)參數(shù)，確保隧洞支護(hù)方式安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

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