葛瑶 寇宇立 刘红萍
陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710001
摘要：供水工程输水隧洞应用广泛，近年来随着城市供水溉日益增长的需求，输水隧洞得到了大量运用。通过对输水隧洞多方面的研究，不但能够提高隧洞的安全性，而且能有效保证供水工程整体质量和使用寿命。输水隧洞多方面研究的工作已越来越受到相关部门的重视，基于上述原因，本文就供水工程输水隧洞围岩稳定性分析及衬砌优化设计进行详细探究。
关键词：供水工程；输水隧洞；围岩稳定性；衬砌优化设计
中图分类号：TV39文献标识码：A
1引言
在地下施工作业中，通常会碰到特质不均匀的地表岩石、复杂多样地质构造的问题。如果再受到力的影响(其中包括外力、应力和内力)，岩体整个内部结构就会产生极大的变化。如果围岩有形状的变化、位置的移动、松动的围岩地质结构，就会导致很大损失，这表明加强监督管控测量工作对施工作业至关重要。要保证地下输水隧洞工程能有效减少塌方等危险，就要遵循岩力学的变化规律，对岩围机构的支护时间、参数等指数合理有效整合、掌握和了解。
2 概述
输水隧洞工程是隐蔽工程，经常会遇到岩溶、软弱夹层等不良地质，围岩周边岩溶的存在不仅在施工期时容易发生涌水突泥，在运行期也极有可能导致水量渗漏损失[1]，软弱夹层的存在降低了围岩的整体强度，处理不当可能导致隧洞围岩的局部失稳甚至产生大范围的崩塌，引起施工进度拖延，甚至导致人员伤亡，造成严重的质量和安全事故。衬砌结构作为水工隧洞的重要组成部分之一，起到了减小糙率、保护围岩以及协同承载等重要作用。在复杂地质条件和内水压力等多种不利因素的综合影响下，衬砌开裂事件时有发生。衬砌开裂会造成严重渗漏，极大地影响了水工隧洞的运行安全和使用寿命。
3 隧洞围岩变形影响因素
隧洞施工过程中，围岩变形受到各种因素的影响[2]。但是，我国目前的隧洞规范没有基于位移的围岩稳定标准，主要是由于在不同岩性和不同工作条件下，围岩位移发生了较大变化。另外，跨度、埋深、施工方法等因素对围岩变形也有较大影响。结合隧洞围岩变形破坏的情形，同时考虑工程地质特点和隧洞施工条件，分析得出施工方法和施工过程是影响隧洞变形破坏的主要因素。影响隧洞围岩变形的因素不仅与不同的工程地质条件、岩体特征和隧洞支护措施有关，而且与不同的施工方法也有很大关系。隧洞开挖时，都会不同程度地扰动围岩，使得围岩的应力释放，多次重新分配，导致开挖后围岩的力学性能远远低于原来的岩石。根据围岩变形特征与隧洞施工状态的关系，在不同的施工过程中，围岩变形率波动明显。围岩质量不直接受到工程施工的影响，但是工程施工的进行对隧洞尺寸、施工工艺、形状、方位、支护方式等层面具有显著的影响作用。在施工中应当就结合隊洞应力分布情况设置相应的施工方式。应当结合隧洞与地质构造间的尺寸效应设置随洞尺寸，矩形和椭圆形隧洞的应力分布往往弱于圆形隊洞。在最大水平主应力方向平与隧洞轴线方位平行的情况下，能够促进围岩稳定性。反之，两者若正交，则破坏了围岩稳定性。因此，在施工现场监测时，除了依靠监测数据和分类分析来判断围岩的稳定性外，还要掌握围岩变形与施工状态之间的关系。
4 供水工程输水隧洞衬砌优化设计
4.1 案例说明
某新建输水隧洞长1969m，进口中心高程35m，出口中心高程63.4m。输水隧洞沿线大部分围岩质量较好，以Ⅱ～Ⅲ类为主，但局部存在Ⅳ类围岩。隧洞出口段覆盖层较薄，但构造不发育，岩体较完整；隧洞进口段覆盖层较薄，岩体破碎，节理发育，设计时对隧洞进出口段采用钢管内衬。总体而言，输水隧洞混凝土衬砌段沿线具有较好的工程地质条件，但在与进出口钢衬段交接部位，混凝土衬砌段上覆岩层仍较为单薄，不利于混凝土衬砌在内水压力作用下的结构安全。
隧洞开挖洞径4.3m，衬后洞径3.3m，衬砌厚度0.5m。隧洞衬砌断面以及其支护形式如图1所示。
图 1 支护结构
4.2 洞身段衬砌优化设计
洞身段衬砌设计是该输水隧洞的关键难点之一。根据地质专业提供的隧洞地质条件，将隧洞围岩分为Ⅳ～Ⅴ类，隧洞衬砌按地质围岩分类分别进行设计：
稳定性差或部分不稳定（Ⅳ类）：设计全部衬砌C25钢筋混凝土，衬砌厚40cm；
极不稳定（Ⅴ类）：设计全部衬砌C25钢筋混凝土，衬砌厚50cm。
初期支护设计：一期支护措施根据隧洞开挖后围岩情况确定，本工程设计对各类围岩分部采取初期支护措施：Ⅳ类或Ⅴ类围岩洞段采用Φ25系统锚杆+挂钢筋网喷混凝土，局部遇断层或岩石极破碎段增设钢拱架支护。其Φ25系统锚杆排距、间距均为1.5m，单根长度按2.5m考虑；锚喷支护范围为顶拱和底拱，网喷混凝土厚度为8cm，挂网筋采用Φ22钢筋，网片钢筋采用Φ12钢筋，网格尺寸（长×宽）为20cm×20cm；钢拱架支护主要针对Ⅴ类围岩洞段进行，钢拱架采用I18工字钢，排距根据隧洞洞径大小分别按0.75～1.0m计；拱脚部位采用锁脚锚杆加固。
隧洞结构计算：采用理正岩土隧洞衬砌计算软件，采用衬砌的边值问题及数值解法：将衬砌结构的计算转换为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算出输水隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。
4.3 输水隧洞喷锚优化
水利工程输水隧洞喷锚施工的优化主要表现为在衬砌施工中的基础位置，对输水隧洞的进一步处理和工作起到了重要的推动作用。因此，有必要注意提高输水隧洞衬砌施工水平。第一步是保证喷锚施工质量。输水隧洞锚杆施工过程中，需要科学地选择锚杆的类型、材料和尺寸，科学地设计钻孔仪器类型和钻孔手段。在围岩的锚杆作业具体环节中，要严格控制施工水平，保证钻孔的具体位置、密度、内径、外径和膨胀深度满足设计图纸的要求。为了喷锚支护的优化喷射，需要科学设计土质的具体比例操作，并进一步进行科学有效的材料配比试验，确保材料和土质的比例准确满足设计图纸的具体要求。输水隧洞的衬砌施工有利于避免围岩进一步侵蚀水利环境输水隧洞，优化衬砌结构稳定性的关键结构，也和锚杆、围岩一起组成承载结构的关键环节。因此，在输水隧洞衬砌施工中，必须严格保证具体施工水平[3]。在水利工程输水隧洞衬砌施工中，必须严格保证锚喷支护的材料水平，并对围岩的稳定性及其支护措施进行详细的评估。当建设水工隧洞周围的位移和速度有明显减缓趋势时，其垂直速度以及拱顶位移的速度均达到标准要求，衬只能当表面上没有进行表面裂纹时候，才可以进行衬砌施工。
5 结束语
综上所述，为保证供水工程输水隧洞的安全和质量，在进行设计时，应综合分析地质条件、围岩应力和变形情况、断面形状和尺寸、施工方案和运行条件、布置需要等确定相邻隧洞之间岩体的原度。还应综合考虑地形、地质、覆盖厚度、枢纽总布置、水力学、施工、运行管理、沿线的建筑物等因素，保证水工隧洞进口应力、水流的畅通性、出口水流与下游的衔接性，减少冲刷现象的发生，与四周建筑物的安全距离，才能真正保证水工隧洞结构更加安全、可靠及合理。
参考文献：
[1] 朴春红．大伙房输水工程特长隧洞衬砌选型及支护系统优化研究［J］．水利建设与管理，2016，36(5):33-36．
[2] 杨晓莹．输水隧洞的支护结构及围岩稳定性分析［J］．水利规划与设计，2015(6):65-67，93．
[3] 曹小武，谭星舟，周剑波．地下输水隧洞加固方案与有限元分析研究［J］．水利规划与设计，2018(12):151-155．