韦爱思

(广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院，广西 河池 547000)

水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计

韦爱思

(广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院，广西 河池 547000)

水电工程引水隧洞施工具有开挖路线长、工程量大、开挖洞径大等特点。在施工过程中受不良地质的影响容易出现涌泥、涌水、坍塌等事故。本文以良湾水电站引水隧洞为例，对围岩稳定性进行计算分析和论证，并对围岩初期支护方案进行设计，为洞室结构施工提供有效参考。

水电站；引水隧洞；围岩稳定；支护设计

1 工程概况

良湾水电站为引水发电工程，位于广西河池市凤山和巴马两县交界地段的盘阳河上。引水坝为开敞式溢流重力坝，最大坝高15m，堰顶高程408.00m。电站设计水头106.10m，装机2×25MW。引水系统由明渠和无压隧洞组成，设计流量27.40m/s，全长9628.80m，其中，明渠3段，共长575m，编号1～3号，无压隧洞9053.80km，分5段，最长洞段为2号隧洞2段(长3187.60m)，隧洞为城门洞形断面，宽4.20～4.70m、高6.40～6.70m。

2 引水隧洞地质状况

隧洞沿线地层为C2或C3厚—巨厚层灰岩、白云岩，围岩岩体工程分类为Ⅱ、Ⅲ类，稳定性较好，但由于存在较多溶洞、落水洞，1号隧洞可能遇到穿越地下河，2号隧洞上游段横交两条断层，2号隧洞近出口一段可能与马安洞相遇，不确定因素多，地质条件复杂。隧洞进、出口处一般山体较陡，覆盖层较薄，或岩石裸露，易成洞。岩土物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

由于隧洞的开挖、衬砌和灌浆施工会对原有的岩体结构造成破坏，洞室围岩受地下水、重力、应力释放等荷载因素的影响，会出现径向位移，为保证隧洞施工的顺利开展，需对围岩稳定性进行分析，根据分析结果，针对性选择支护参数。

3 围岩稳定性分析

3.1 数值模拟计算方案

该工程利用非线性有限元分析方法，对施工顺序和水荷载等进行仿真计算，在计算过程中必须充分考虑灌浆圈和灌浆圈渗透系数的实际变化情况，对不同工况下水荷载的作用历史进行分析，具体计算方案见表2。

表2 数值模拟计算方案

第一种工况如下：初始地应力(0级加载)+初始渗流场(第1级加载)+辅助洞开挖，瞬时渗流力(第2级加载)和辅助洞支护，渗流力(第3级加载)+四条引水洞的开挖，瞬时渗流力(第4级加载)+四条引水洞支护，最终在稳定状态下渗流力(第5级加载)。

第二种工况如下：完成初始地应力(0级加载)和初始渗流场(第1级加载)+辅助洞开挖并完成支护，渗流力(第2级加载)+四条引水洞的开挖和支护，并进行第3级渗流力的加载。

3.2 计算结果分析

在实际分析中选择方案(5)进行数值模拟说明，为证明不同支护时间对围岩稳定性造成的影响，在进行模拟分析过程中应力按照总应力进行分析，位移按照增量位移进行分析。辅助洞开挖完成后，产生的最大垂直位移为2.60cm,产生的最大水平位移为1.20cm[2]。根据洞室周边的主应力分布情况可直接分析出因渗流场变化以及地下洞室开挖地应力释放造成的围岩应力重新分布基本规律，此时下拱顶最大应力值为95.52MPa。此外，拱脚和侧墙底部也存在应力集中现象，其最大压应力为94.68MPa。在辅助洞周边所形成的塑性区应当控制在3m以内。

由于辅助洞喷锚支护完成后其自身只需要承担第二、三级变量水平荷载，并且和岩体共同承担，因此，在这种状态下岩体所产生的增量位移极小，而支护的应力也比较小[3]。辅助洞支护完后即可进行引水洞的开挖施工，开挖施工时允许的最大水平位移为2.02cm，垂直方向上允许出现的最大位移为4.79cm(见图1)，塑性区范围为3m。

图1 引水隧洞开挖后σ1分布(单位： kPa)

使用非线性有限元分析法对引水隧洞进行渗控计算和对围岩以及衬砌支护结构进行科学模拟和计算后，得到如下结论：

a. 由于围岩和加固复合体属于地下洞室的核心承载结构，因此，在施工期间要对涌突水段进行超强预注浆处理，并适时进行喷锚支护、二次高压固结灌浆以及较强透水性衬砌支护，确保隧道围岩承载力可以达到设计要求并能够和支护体系联合形成承载体，共同承担外水压力。

b. 对于涌突水洞段应当采用预注浆施工，将动态水变为静态水。二次固结灌浆完成后，隧洞10～15m范围内的岩体会形成具有良好抗渗性的灌浆承载圈，渗透系数会达到(10-6～10-7)cm/s，可以将具有极高压力的地下水控制在灌浆圈之外，与此同时辅以透水性较强的衬砌支护，可以保证结构的自身强度和稳定性。该结构更能将隧洞施工和运行过程中对水文地质产生的影响降至最低。

c. 由于灌浆圈深度对结构计算的影响主要体现在渗流荷载差异上，因此，当灌浆圈的深度产生变化后会对自身承受的渗流荷载产生较大的影响，而对衬砌、围岩的位移和支护应力影响不大。一般来说，灌浆圈的深度主要是由耐久性渗流比降、塑性区范围、施工能力决定的，因此，建议将超强预注浆深度控制在15m以上，将涌突水洞段的二次高压固结灌浆深度控制在10～15m。

d. 在隧洞中形成的混凝土衬砌其自身并不承担因为隧道开挖和初始地应力释放调整所产生的围岩压力和外水压力，仅仅起到减少粗糙率，保证围岩不再受到水流冲刷和腐蚀，最终为围岩灌浆提供表面封闭层的基本作用。为了避免外水对衬砌结构造成巨大破坏，必须保证衬砌自身具有良好的渗透性，即衬砌和灌浆之后的围岩渗透系数应当接近[4]。

e. 为了保证分析结果具有代表性，在渗控和结构分析过程中主要选择最为不利的断面进行分析。但事实上隧洞中的绝大多数围岩都是完整的，而天然岩体的渗透系数本来就很小，因此绝大多数隧洞路段并不需要进行二次高压固结灌浆，只需要对涌水洞段、围岩存在渗水段、开挖后存在渗漏的洞段进行二次高压固结灌浆。

4 支护设计

4.1 支护设计基本思路

a. 引水隧洞支护根据围岩承载受力情况进行设计，最大限度发挥围岩承载力，采用二次高压固结灌浆和喷锚支护等措施对围岩进行加固，最终促使围岩和喷锚支护组合成为联合承载结构。

b. 隧洞涌突水地段应当通过辅助洞施工或者超前钻探，并采取预注浆的方式对其进行封堵。岩面滴水地段或者涌水量不大的地段，采用后灌浆以及引排水处理的措施进行处理，然后对隧洞进行衬砌支护和二次高压固结灌浆处理，提升围岩的抗渗性和承载力。

c. 岩爆强度较低时，隧洞初期的支护可以采取随机锚杆支护，但当岩爆强度极大时，则应当钻设应力释放孔，必要时可采取预应力锚杆和喷钢纤维混凝土联合支护的方式对其进行防护。

d. 在Ⅲ类围岩地段岩体整体性较差的情况下，开挖之后围岩会产生一定的塑性变形，在初始阶段不经过支护可能产生局部塌方或者塑性破坏。而该类地段围岩节理和溶蚀裂缝不断发育，在这种状态下往往会存在滴水和线状水以及较大面积的渗水现象，而溶蚀裂隙较为发育的洞段则会出现大量涌水现象[5]。在隧洞顶拱和两侧应当借助长度为4.5～6.0m的系统锚杆以及喷钢纤维混凝土进行支护。对可能产生岩爆的地段，则应当适当增加锚杆密度，增加喷层的基本厚度。

e. Ⅳ类围岩地段指的是岩体破碎的坚硬岩体或者岩体完整的软岩地段，软岩和较软岩容易产生塑性变形，脆性岩自稳时间短，围岩很容易出现大面积垮塌的情况[6]。因此，在开挖隧道时使用钢格栅、超前锚杆、喷钢纤维混凝土、系统锚杆进行支护，永久性衬砌支护采用50cm厚模铸钢筋混凝土衬砌。

4.2 支护设计

4.2.1 隧道初期支护参数初拟设定

根据上述设计思路、隧洞沿线地层岩性及围岩类别的差别，拟定引水隧洞初期支护参数和支护的基本范围(见图2、图3)。采用长度为6m、直径25mm的超前预应力锚杆进行支护，喷射钢筋纤维混凝土，喷射厚度为10cm，应力释放孔直径为48mm,长度为3m。

图2 初期支护典型图(Ⅱ类围岩，超高应力区)

图3 初期支护典型图(Ⅴ类围岩)

4.2.2 隧洞永久衬砌结构的型式初拟

图4 隧洞衬砌典型图(Ⅱ类、Ⅲ类围岩)

图5 隧道衬砌典型图(Ⅴ类围岩)

初期拟定的不同围岩类别永久衬砌的结构型式存在一定差别，隧洞典型衬砌支护断面见图4、图5。Ⅱ类和Ⅲ类围岩隧洞采用C25钢筋混凝土进行衬砌，衬砌厚度为50cm，Ⅴ类围岩衬砌设计时配双层筋，衬砌厚度为85cm。

5 结 语

良湾水电站由于其地形、地势因素，引水隧洞围岩结构相对稳定。该工程引水隧洞衬砌采用的是针梁式全圆台车施工方案，该方案与施工现场具体情况一致。需要提高方案设计的科学性和合理性，施工期间确保围岩结构的稳定性，同时，在施工中做好排水工作，全面准确掌握支护型式及具体参数，充分发挥其指导作用。

[1] 朱维申，何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩石动态施工力学[M].北京：科学出版社，1996.

[2] DL 5077—1997 水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社，1998.

[3] SL 303—2004 水利水电工程施工组织设计规范[S].北京：中国水利水电出版社.2004.

[4] 孙金库，冉懋鸽. 科卡科多水电站引水隧洞灌浆加固方法[J].中国水能及电气化，2014(12)：15-18.

[5] 胡连兴，钟登华，佟大威.不良地质条件下长距离引水隧洞施工全过程进度仿真与实时控制研究[J].岩土工程学报，2012(3):497-504.

[6] 项庆伟，徐景伟.长有压引水隧洞设计初探[J].四川水力电，2007(2):86-89.

Stability Analysis and Support Design of Surrounding Rock of Diversion Tunnel of Hydropower Station

WEI Aisi

(SurveyandDesignResearchInstituteofHechiWaterConservancyandElectricPowerofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Hechi547000,China)

The diversion tunnel construction of hydropower project has long excavation route, large engineering quantity and large excavation tunnel diameter with features. Besides, gushing mud, gushing water, collapse and other accidents are more likely to occur in the construction process affected by unfavorable geology. Taking the diversion tunnel of Liang wan hydropower station as an example, this paper carries out the calculation, analysis and demonstration of surrounding rock stability and designs the initial support scheme of surrounding rock, which can be regarded as an effective reference for the construction of tunnel structure.

hydropower station; diversion tunnel; surrounding rock stability; support design

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.017

TV732

B

1673-8241(2017)01- 0060- 04