某水电站引水隧洞不良地质洞段初期支护措施研究

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1、某水电站引水隧洞不良地质洞段初期支护措施研究摘要：某水电站为深埋、长有压隧洞引水式电站，前期勘探地下水位较高，隧洞将穿越一规模较大断层，隧洞施工过程中可能出现涌水现象，为保证施工安全，对此研究了该不良地质洞段隧洞初期支护措施，得出了针对该洞段的初期支护参数。该不良地质条件洞段的初期支护措施及研究思路可供其他工程参考。中国2/vie　　关键词：地下水；不良地质条件隧洞；初期支护　　中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.ki.16723198.2017.06.100　　1概况　　某水电站引水发电系统位于右岸，隧洞

2、开挖为马蹄形断面，开挖尺寸为6.4m×7.8m。隧洞沿线山体雄厚，岸坡高陡，冲沟发育。前期勘探显示，在距进口500m位置发育有一规模较大断层，断层带宽度约15m，该段隧洞埋深约250m，洞顶以上地下水120m，隧洞走向与断层交角78°，断层充填物主要为糜棱岩，胶结差，遇水软化，强度较低。　　因隧洞开挖不可躲过该断层，现对引水隧洞在该洞段内的支护方式进行理论计算分析，明确初期支护方案，指导现场施工，确保安全穿越该断层。　　引水隧洞围岩物理力学参数见表1，断层按V类围岩考虑，影响带按IV类围岩，周边岩体为III类。　　基本稳定地下水特

3、征：该断层洞段地下水位高于洞顶约120m，考虑到施工过程中可能产生的涌水，初期支护分析中暂按0.6倍折减系数下的外水压力对初期支护措施进行分析。　　2引水洞稳定支护方案　　针对该洞段区域岩性较差、施工期地下水位较高，在不支护的条件下成洞较难，为确保安全通过该断层洞段，拟采用二次支护方式：开挖阶段主要采用管棚、超前灌浆、钢拱架及喷锚混凝土等方式进行支护；通过二次支护（混凝土衬砌）达到在高地下水位条件下运行期检修及高内水压力下隧洞稳定的目的。本文着重研究隧洞开挖期间的支护问题，即初期支护措施论证。　　3初期支护参数研究　　结合隧洞设计

4、轴线与地质断层走向的关系，根据引水隧洞的设计成果和不良地质洞段的地质报告分析成果，建立三维有限元模型模拟隧洞开挖过程中各元素的受力情况，对隧洞开挖过程中的稳定状况进行分析。三维有限元模型模拟措施如下：　　岩石裂隙、断层及围岩与衬砌的联结采用CONTACT单元模拟；岩石、喷层与混凝土衬砌采用3D-SOLID单元模拟；管棚、钢支撑采用BEAM单元模拟；通过单元BIRTH-DEATH模拟开挖、支护工序实现，并采用单元刚度折减系数（刚度因子0～1）控制围岩释放荷载的分配情况（考虑围岩自稳能力，实际计算中按应力释放75%、围岩承担25%考虑

5、）。隧洞开挖采用全断面开挖方式一次成型。　　模拟材料：采用摩尔-库仑材料模型模拟岩石，采用线弹性材料模拟一期喷砼及二期砼衬砌，断层带上、下盘接触面以及一期支护与围岩间采取接触（接触面摩擦系数0.55）方式处理。有限元模型如图1。　　考虑计算段长度，管棚法施工中管棚沿洞轴线方向长度12m，搭接长度3m计算，管棚钢管中心距30cm，采用108mm钢管（壁厚6mm）施工管棚；钢支撑采用工16号型钢，刚支撑间距50cm；C15喷锚混凝土厚度为40cm。　　施工工序为：岩石超前固结灌浆12m――管棚施工――开挖（进尺1m）――架设钢支撑――

6、喷砼支护――下循环开挖，重复上述步骤直至完成一个循环开挖（9m）。一个循环开挖完成后应立即进行混凝土衬砌，衬砌完成后进行第二个循环开挖支护。　　经过计算分析，在不施工初期支护的情况下围岩无法维持稳定，即围岩强度不足以支撑开挖后的卸荷应力释放，隧洞将坍塌。通过工程手段进行初期支护可以增加围岩的应力承受能力，增加围岩的稳定性，从而在开挖过程中保证施工的安全。　　经过有限元模型的反复分析计算，最终确定的该隧洞段的围岩初期支护参数如下：　　（1）钢支撑：16#工字钢，间距50cm；　　（2）喷砼，C15，厚度为40cm；　　（3）管棚：外

7、径120mm，壁厚8mm，钢管中心距30cm，内填充钢筋混凝土；　　（4）围岩固灌：灌浆后的围岩强度由V类围岩提高至IV类围岩的下线标准，灌浆范围为开挖线以外2m，即内摩擦角ψ26°，变形模量E02GPa，黏聚力c03MPa。　　初期支护按照上述参数进行施工可以满足围岩稳定要求，安全顺利开挖。经过分析，开挖过程中最大围岩塑性区如图2。　　钢管应力允许值（Q235B，130.5MPa），大于开挖过程中管棚最大剪力（如图3），最大弯矩（如图4），最大应力为94.2MPa。应力允许值大于实际最大应力，支护措施满足强度稳定安全要求。　　开

8、挖过程中钢支撑弯矩（如图5），钢支撑轴力（如图6），钢支撑断面最大应力为98.1MPa。应力允许值130.5MPa>98.1MPa，满足强度稳定安全要求。　　喷砼最大拉应力0.26MPa，低于C15砼抗拉强度，满足材料强度安全要求。　　由计算结果可