隧洞钢支撑变形及破坏分析

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1、隧洞钢支撑变形及破坏分析：钢支撑是隧洞支护加固的一种工程措施，工程实践中时有钢支撑变形乃至破坏的事例发生。文章结合工程地质特征、施工情况、研究计算和监测成果，对钢支撑发生变形和破坏的原因进行分析，并对防止事故的发生提出建议。讨论以橙子沟水电站引水洞实例为主，亦列有其它工程。　　关键词：隧洞钢支撑橙子沟　　　　1、引言　　橙子沟水电站位于白龙江上，甘肃省陇南市境内，为径流引水式电站。引水隧洞沿右岸布置，全长约17.2km，属特长引水洞。设计断面为圆形断面，Ⅲ、Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土全断面衬砌，开挖洞径为11.7m、12.1m，衬砌后洞径均为10.5m；Ⅱ类围岩采用底部素衬混凝土及顶部喷

2、混凝土衬砌，开挖洞径为12.56m，衬砌后洞径为12.26m。洞周布置径向系统锚杆，形成一定厚度的围岩承载圈。其中，在Ⅳ类围岩一期开挖上部大半圆中心角240°开挖过程中，设计采用钢支撑进行临时支护。钢支撑紧贴岩面立设，外径（即隧洞开挖直径）为12.10m，内径为11.90m，平均12.00m。采用I20a工字钢，加连接板和螺栓(5段4接头)。钢支撑紧跟开挖掌子面立设，距离在0.5m以内。　　2、变形情况概述　　在进行桩号引5186.5m至引5189.5m长约3m洞段放炮后，发现在桩号引5180m至5186m共6m长的洞段内，有7榀钢支撑顶拱部位发生变形。钢支撑布设间距为1.0m。　　

3、从上游顺水流方向视向下游，钢支撑顶拱有两榀变成凸形，即钢支撑在顶拱跨中突向岩壁；有两榀变成凹形，钢支撑在顶拱跨中陷向洞内。变形后偏离原位约0.2m～0.4m。变形最大点多在跨中钢支撑接头处，也有的偏离跨中在拱顶一侧。这是在钢支撑平面（即垂直洞轴平面）垂直和水平两个坐标系内显示出来的变形。　　仰面视向洞顶，有4榀钢支撑顶拱跨中附近出现沿洞轴方向的变形。其中接近掌子面（即下游）的一榀，向上游变形，跨中工字钢断面已扭成横躺状；中间2榀呈“S”形，大体也是向上游变形；远离掌子面（即上游）的一榀向下游变形。变形后偏离原位亦达0.2m～0.4m。　　钢支撑顶拱存在三个方向的变形，所以产生的是扭曲

4、变形。　　3、工程地质特征　　该段岩性为炭质石英黑云母片岩，片理发育，岩质较软弱，局部扭曲。岩层呈薄层状，一般层厚1～3cm左右，产状为NE50°左右N～2.0m。　　4、施工情况简介　　该段爆破开挖后，经地质现场鉴定，该段围岩为Ⅵ类，属不良地质段。具体处理方案为：　　（1）紧贴岩面进行挂X喷护混凝土，厚度20cm；　　（2）钢支撑按间距1.0m进行立设；　　（3）钢支撑与岩壁之间采用短工字钢进行焊接，使钢支撑承受岩体荷载；　　（4）锁脚锚杆：布于钢支撑两侧，沿钢支撑轴线每2m布置一对，φ25长4.5m，并代替洞周系统锚杆。用“U”形短钢筋，将钢支撑和两侧锚杆相焊。　　（5）由于脱空

5、尺寸较大，考虑到填满空腔的喷混凝土用量过大，因此决定暂不回填空腔，等浇注混凝土衬砌时再填实。　　5、研究计算和监测成果　　根据《白龙江橙子沟水电站工程引水隧洞稳定及支护结构优化研究报告》[1]，在图1中示有隧洞回弹变形曲线，将该曲线隧洞开挖段列表1。　　图1和表1说明，在已开挖洞段，受掌子面约束的影响，距掌子面距离（X或X/D）越近，则回弹变形百分比越低。回弹变形百分比指的是隧洞开挖后在垂直洞轴平面内（即横断面内），已经完成的弹性变形的比例。该比例越低，相应尚未完成的弹性变形的比例就越高。在掌子面上X/D=0（相应X=0），回弹变形百分比仅为28%，即尚有72%的回弹变形还没有完成。

6、　　随着距掌子面距离的加大，回弹变形百分比逐渐增大，至X/D=2.0的横断面，回弹变形百分比已接近100%，表明回弹变形接近全部完成了。　　从回弹变形曲线和数据表还可看出，回弹变形百分比变化的快慢可以分为三段：　　1）陡变段：X/D=0～0.25，回弹变形百分比由28%升为76%，变化速率为1.92（等于回弹变形百分比差值0.48除以距掌子面距离百分比差值0.25）。　　2）缓变段：X/D=0.25～1.00，回弹变形百分比由76%升为95%，变化速率降为0.25.　　3）平缓段：X/D=1.00～2.00，回弹变形百分比由95%上升为100%，变化速率仅有0.05。　　以上三段变化

7、速率的比为：陡变段：缓变段：平缓段=38.4：5：1　　钢支撑变形段距掌子面的距离为X=0.5～6.5m，X/D=0.04～0.54，对应回弹变形百分比为36%～87.8%,即在临近钢支撑的爆破段开挖后有64%～12.2%的弹性变形尚待完成，但此时钢支撑已施工，这部分变形所转变成的变形能量就加在了钢支撑上，这是一个很大的荷载。后续的多次开挖，还将有尚未完成的变形能迭加在钢支撑上，只是所增加的变形能越来越小。　　计算成果得到了橙子沟引水隧洞该部位收敛监测成果