中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222
摘要：在泥质围岩条件下采用钻爆法开挖隧洞，通常面临收敛变形大、爆破效果难以控制、支护时机不易掌握等难题；当遇有地下水时，支护难度进一步加大，常规的支护手段难以适应其大变形的地质特性。本文介绍了泥岩条件下施工支洞开挖支护的设计和施工技术，在数值模拟计算的基础上，采用经优化设计的断面形式、快速便捷的一次支护和经济合理的二次衬砌，保障洞室的安全稳定，并结合实际工程的监测数据，分析判定支护措施的效果，为同类工程项目提供设计参考。
关键词：泥岩；收敛变形；支护设计
1工程概况
某段输水隧洞为第三系上中新统（N1+2）泥岩，成岩差，易变形，泥质岩和砂砾岩互层，岩体渗透性不均匀，存在较高水头的承压水，成洞条件极差，施工难度高，施工预期效果难以预见。为保证工期和进度要求，本段设置施工支洞采用钻爆法开挖。施工支洞水平长度约400m。
2三维有限元计算
2.1 计算目的
为了分析一次支护的稳定和二次衬砌的结构应力及内力、配筋、裂缝，并根据二次衬砌计算结果优化排水设计，须对施工支洞软岩、极软岩（N1+2）洞段进行有限元计算，包括根据现有的排水措施通过计算确定二次衬砌外水压力。
2.2 计算步骤
计算分析包括三维渗流计算和一次、二次支护结构计算，前者采用国际通用大型结构计算软件《ANSYS》，后者通过国际通用的岩土专业有限元计算程序Phase2分析计算，计算支护后的收敛变形和衬砌内力。表1列出了计算分析步骤及对应的模拟内容。
表1 分析步骤及对应的模拟内容
.png)
2.3计算参数
计算选取的断面说明和地质参数见下表：
表2 施工支洞计算断面说明
.png)
表3 隧洞围岩参数
.png)
3支护措施设计
3.1 设计原则
针对本段隧洞地质条件，重点关注围岩成洞条件差、收敛变形大、外水压力大的特点，参照类似工程的成熟和先进经验，依据计算成果确定设计成果，施工中遵循短进尺、强支护的原则进行开挖支护。
3.2 一次支护
一次支护包括超前管棚、自进式中空锚杆、C30复合纤维喷混凝土，以及HW150型钢拱架。
超前管棚采用63mm自进式超前管棚，在顶拱180°范围内施作，管棚采用热轧无缝钢管，壁厚6mm，前5m为花管。
系统锚杆采用全长砂浆锚杆，系统锚杆杆体采用Φ25×7中空锚杆体，长度3.5m，由于在较为破碎、软弱的泥岩或极软岩中，锚杆钻孔容易塌孔，钻杆抽出后锚杆安装难度大；且根据现场实际操作情况，常规的孔口灌浆效果差，故采用自进式中空锚杆，锚杆砂浆应通过中空杆体自孔底压入，至钻孔孔口溢出。
钢拱架支撑采用的是HW150型钢，分段拼接安装。每一环钢拱架设置5对Φ28外八字锚杆。
另外，为了增强一次支护的整体性，特采用如下分布方式和焊接方式将系统锚杆与钢拱架充分连接起来，增强一次支护的有效性和可靠性。
喷混凝土采用的是复合纤维喷混凝土，具有韧性高、不易开裂和适应大变形的特点。在极软岩或高外水情况下，还需添加纳米级掺合料，在喷混凝土中掺入该材料后，可以增加一次喷射厚度且回弹率大大降低、粉尘小，具有初期起强快、后期强度高、抗渗性能好、粘结强度高、耐久性强等优点，进一步提高喷混凝土抗裂性能，保证围岩变形稳定。
3.3 二次衬砌
混凝土衬砌采用C30混凝土，厚度采用50cm，配筋选用HRB400钢筋，根据配筋计算选用Φ18~25的钢筋进行配筋设计，钢筋净保护层厚度50mm。支洞现浇混凝土衬砌浇筑段长6m，滞后掌子面2～3个浇筑段实施。
在隧洞的施工过程中，结合地质揭露情况以及隧洞变形监测数据，不断调整计算参数和设计参数，最终得到以上设计参数，支护断面图如下：
.png)
图1 锚杆布置展开图
.png)
图2 锚杆与钢拱架连接图
.png)
图3 一次支护措施横断面图
4 工程实际应用
在支洞Ⅳ类围岩每40~50m设一个三点收敛监测与顶拱沉降监测断面；Ⅴ1类围岩每20~30m设一个五点收敛监测与顶拱沉降监测断面；Ⅴ2类围岩每10~20m设一个五点收敛监测与顶拱沉降监测断面。
施工支洞现已完成施工，根据现场监测的洞室收敛变形数据，进一步分析判定支护措施的有效性和可靠性。
本文选取具有代表性的断面监测结果作为代表，分析支护衬砌措施的作用效果。施工支洞桩号0+304断面洞室围岩为Ⅴ类，埋深为105m，监测点数为5个，监测持续时间为60天。断面的收敛变形速率稳定为0.04mm/d，顶拱沉降速率为0.09mm/d，观测末端收敛变形呈稳定趋势，无异常状况，可判定洞室围岩趋于稳定。
.png)
图4 施工支洞0+304断面监测位移时态散点图
5 结论
经过有限元模拟计算和实际应用的不断反馈、调整，总结出一套针对泥岩、极软岩隧洞支护、衬砌行之有效的设计，并经过实际应用的检验，具有一定的可参照性，可为其他类似条件的工程的设计施工提供参考依据。
参考文献
[1]韩旭东，葛军. 纳米•增韧型粗纤维湿喷混凝土在锦屏二级水电站引水隧洞中的试验与应用[J]. 四川水力发电.2014（06）.
[2]李宁，刘波，吕高. 泥岩隧洞围岩渐进性变形与破坏机制探索[J]. 岩石力学与工程学报.2014（S1）.
[3]曹东杰，软岩隧洞支护体系及施工安全技术研究[D]. 硕士学位论文，西南交通大学，2013（12）.
[4]张青龙，李宁，曲星，刘乃飞. 富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析[J]. 岩石力学与工程学报.2011（11）.
作者简介
任鑫龙，男，工程师，中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222。
李佳隆，女，工程师，中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222。
暴艳利，女，工程师，中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222。