深埋輸水隧洞圍巖分區(qū)破裂監(jiān)測及支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉廣茹

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展以及水利科技的不斷進(jìn)步，水利工程建設(shè)已經(jīng)成為合理開發(fā)和利用水資源的重要基礎(chǔ)，而大規(guī)模的水利工程開發(fā)必然會面對更復(fù)雜的工程地質(zhì)情況[1]。當(dāng)前，一些水利工程的地下洞室埋深不斷增加，不僅需要面對更為復(fù)雜多變的圍巖地質(zhì)環(huán)境條件，更出現(xiàn)了一些特殊的巖體變形破壞現(xiàn)象[2]。其中，分區(qū)破壞就是其中比較特殊的一個(gè)種類。分區(qū)破壞是一種比較特殊的大埋深地下工程地質(zhì)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為地下洞室工程開挖之后圍巖破裂區(qū)和非破裂區(qū)交替出現(xiàn)的現(xiàn)象[3]。顯然，分區(qū)破裂現(xiàn)象和傳統(tǒng)的圍巖變形破壞現(xiàn)象存在明顯的不同，如果在工程建設(shè)中處置不當(dāng)，將會導(dǎo)致圍巖的大面積和大深度破壞，后果十分嚴(yán)重[4]。因此，分區(qū)破裂已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問題，引起國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]。深入研究圍巖分區(qū)破裂的產(chǎn)生條件和機(jī)制，并提出具體的控制措施，可以為相關(guān)工程建設(shè)提供重要的理論和實(shí)踐依據(jù)[6]。從當(dāng)前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀來看，主要是通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的方法揭示圍巖分區(qū)破裂的內(nèi)在機(jī)理和發(fā)展趨勢，并提出相關(guān)的支護(hù)原則和方式[7]，但是在具體的支護(hù)模式和參數(shù)設(shè)計(jì)方面缺乏深入的探索，影響到研究成果在具體工程實(shí)踐層面的應(yīng)用。基于此，本次研究以具體的工程為依托，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際，進(jìn)行深埋輸水隧洞圍巖分區(qū)破裂支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，力求為工程建設(shè)提供實(shí)踐層面的支持和幫助。

1 圍巖分區(qū)破裂現(xiàn)狀分析

1.1 工程背景

大風(fēng)口水庫位于遼寧省綏中縣前衛(wèi)鎮(zhèn)境內(nèi)的石河上游，集雨面積251km2，設(shè)計(jì)庫容1.5億m3，是一座集防洪、供水、灌溉、旅游等多種功能為一體的大(2)型水利樞紐工程[8]。為了解決綏中火電廠的用水需求，需要新建一條輸水隧洞。新建的輸水隧洞位于水庫大壩的右壩端，水庫原輸水隧洞的右側(cè)，屬于深埋高地應(yīng)力輸水隧洞工程，隧洞圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，自穩(wěn)性較差[9]。

輸水隧洞的斷面為半圓拱形設(shè)計(jì)，其斷面尺寸為280cm×240cm，支護(hù)結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)為采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)。其中，支護(hù)錨桿采用的是直徑20mm、長2.2m的高強(qiáng)度螺紋鋼，間距排列為80cm×80cm；鋼筋網(wǎng)的直徑為6mm，間距為20cm；噴層設(shè)計(jì)采用厚度為15cm的C20混凝土。錨索的規(guī)格為直徑15.24mm的鋼絞線，長度為6.2m，間距和排距均為1.2m。

1.2 圍巖監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

在施工過程中設(shè)計(jì)了A、B、C、D 4個(gè)監(jiān)測斷面，4個(gè)斷面的間距均為15m，各監(jiān)測斷面均在開挖之后15d進(jìn)行監(jiān)測，獲取圍巖內(nèi)破壞的相關(guān)數(shù)據(jù)。在監(jiān)測過程中使用的主要儀器是KDVJ- 400鉆孔電視成像儀[10]。該儀器主要由全景攝像探頭、系統(tǒng)控制器、專用電視電纜以及彩色顯示屏等4部分構(gòu)成。采用的是高分辨率電視攝像頭，可以將鉆孔之后的內(nèi)壁構(gòu)造在彩色液晶顯示屏上顯示出來，其顯示分辨率為0.1mm。監(jiān)測過程中采用地質(zhì)鉆孔機(jī)鉆孔，鉆孔直徑為73mm，每個(gè)監(jiān)測斷面鉆5個(gè)孔，分別位于拱頂、左右拱肩以及左右側(cè)壁中部。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和內(nèi)部破壞資料，將破壞區(qū)監(jiān)測超過0.5m的區(qū)域定義為破裂圈，而破裂圈之間的間隔則為完整區(qū)。對各斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，監(jiān)測數(shù)據(jù)從隧洞中心算起，獲得各監(jiān)測斷面破裂分區(qū)范圍，見表1。由表1可知，圍巖內(nèi)部共存在4個(gè)破裂圈。其中，隧洞表面1.5～3.0m的范圍內(nèi)為第一破裂圈，該破裂圈的圍巖破壞最為嚴(yán)重，屬于傳統(tǒng)認(rèn)知領(lǐng)域的圍巖松動圈。該破裂圈之外為完整區(qū)，再往外屬于第二破裂圈，其平均深度為3.5～4.0m，該破裂圈的圍巖破壞程度也相對較大，主要表現(xiàn)為破碎和裂隙。而后又是圍巖的完整區(qū)，之后在深度5～6m范圍內(nèi)出現(xiàn)第三破裂圈，該破裂圈的破壞程度相對較小。主要表現(xiàn)為裂縫；第四破裂圈的深度一般為7～8m，該破裂圈的圍巖破壞程度最小，主要表現(xiàn)為裂隙。

從鉆孔部位的地質(zhì)巖性來看，主要包括厚度7～8 m厚的砂質(zhì)泥巖和厚度2m左右的中砂巖，以及厚度0.7m左右的泥巖。由此可見，各個(gè)破壞圈層被沒有處于巖層分層部位。同時(shí)，由于鉆孔內(nèi)的裂隙均與鉆孔垂直，并近似圓形，說明破壞圈均為隧洞開挖擾動所致，需要進(jìn)行支護(hù)加固。

表1 圍巖破裂監(jiān)測結(jié)果 單位：m

2 圍巖支護(hù)加固工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化原理

在地下洞室工程施工過程中，分區(qū)破裂是業(yè)界所關(guān)注的重要課題。從本次工程圍巖分區(qū)破裂的監(jiān)測結(jié)果來看，采取原設(shè)計(jì)方案顯然難以取得預(yù)期加固效果[11]。因此，結(jié)合工程實(shí)際以及相關(guān)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究理論和實(shí)踐，擬采用合理的漿液類型，采用中空分段螺旋式注漿錨管對各破裂區(qū)圍巖進(jìn)行分段、分區(qū)注漿，在有效提高破裂巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角的同時(shí)，充分發(fā)揮未破裂圍巖圈層的作用，恢復(fù)輸水隧洞圍巖的整體性和強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果和目標(biāo)。

2.2 支護(hù)參數(shù)的確定

本次研究選用的是預(yù)緊力為60kN的錨桿，在對第k個(gè)圍巖分區(qū)內(nèi)的破裂區(qū)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，其錨固件的長度應(yīng)該相同，并且不小于L，其計(jì)算公式如下：

(1)

對于圍巖破碎區(qū)的注漿量，可以結(jié)合巖體破碎所產(chǎn)生的空間體積膨脹進(jìn)行推導(dǎo)，其增加的體積就是注漿量，從而實(shí)現(xiàn)對圍巖的定量化注漿，在保證注漿效果的同時(shí)盡量節(jié)省施工成本。

按照上述計(jì)算原理和公式，對各個(gè)圍巖破壞分區(qū)的錨桿長度和注漿量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 錨桿長度計(jì)算結(jié)果

按照表2中的計(jì)算結(jié)果，對錨桿進(jìn)行布設(shè)設(shè)計(jì)，其示意圖如圖1所示。由于工程埋深較大且圍巖質(zhì)量較差，因此在錨桿加固過程中的錨桿托板部位可能會存在預(yù)應(yīng)力集中問題，而過大的預(yù)應(yīng)力會導(dǎo)致圍巖單點(diǎn)凹陷的情況發(fā)生，最終造成錨桿預(yù)應(yīng)力的明顯損失。因此，采取錨桿+鋼帶的方式減小錨桿的預(yù)應(yīng)力損失，其示意圖如圖2所示。

圖1 錨桿布設(shè)示意圖

圖2 錨桿+鋼帶設(shè)計(jì)示意圖

3 加固效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)方案的加固效果，在工程現(xiàn)場對原始方案和優(yōu)化方案進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，并對隧洞關(guān)鍵部位的位移進(jìn)行監(jiān)測，通過位移量的大小對加固效果進(jìn)行評價(jià)和分析。試驗(yàn)過程中對隧洞的拱頂、以及左右拱腰3個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行位移監(jiān)測，每個(gè)部位從表面向內(nèi)部按照1m的間隔設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，自表面向圍巖內(nèi)部編號分別為1、2、3、4、5、6。對開挖支護(hù)后的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。由表3中的結(jié)果可知，優(yōu)化方案下各個(gè)測點(diǎn)的位移值顯著小于原始設(shè)計(jì)方案，說明優(yōu)化方案在控制圍巖位移變形方面具有十分顯著的作用。另一方面，原始方案的圍巖位移隨著深度的增加存在比較明顯的波動性，這顯然和圍巖內(nèi)部存在多個(gè)破裂圈有關(guān)，而優(yōu)化方案下的位移量隨著深度的增加逐步減小，說明在優(yōu)化方案下圍巖的整體性得到顯著提高，加固效果更為明顯。

4 結(jié)語

大埋深圍巖分區(qū)破裂現(xiàn)象目前已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注，成為巖土工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容。此次研究以具體工程為背景，選擇大埋深復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境洞

表3 位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

段，采用鉆孔電視成像儀對圍巖內(nèi)部的分區(qū)破裂情況進(jìn)行監(jiān)測分析，并以監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，提出了優(yōu)化支護(hù)的思路，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用優(yōu)化方案之后，圍巖的位移變形得到更好控制，有利于工程施工的順利進(jìn)行。此次試驗(yàn)研究對相關(guān)類似工程施工建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)然，深埋洞室工程圍巖分區(qū)破裂的影響因素很多，在今后的研究中需要進(jìn)行深為深入的探索，進(jìn)一步研究地下水和溫度場變化對圍巖分區(qū)破裂的影響，使研究結(jié)論進(jìn)一步完善。