阿拉坦吐力古尔

（新疆塔城地区鲁斯台草原生态修复工程建设管理局，新疆 塔城 834700）

1 引言

随着中国经济的快速发展，水利水电工程建设成为当前社会发展的重点方向，其中新建水电站项目中所涉及的输水隧道工程施工过程中经常存在围岩变形的情况，其形成原因通常是由于高地应力环境中岩体中能量通过应变能释放所导致，而在围岩开挖后自稳时间通常较短，将会产生较为显著的围岩流变效应，此阶段围岩无法得到有效的支护将会导致围岩变形的发展，甚至发生侵入隧道开挖净空以及支护损毁的情况。目前新疆地区水利工程中输水隧道工程的安全施工对于工程整体而言意义颇深，就目前输水隧道的开挖现状来看，采用科学、合理的支护结构形式，对于确保水利工程中输水隧道工程施工的安全以及围岩的稳定性具有重要的作用。

2 工程概况

木扎提河引水建设工程位于新疆拜城县境内，工程所在区域西北高、东南低，海拔高度为1 200～1 800 m，区域地貌形成以第三纪末开始的新构造运动的抬升作用及裙皱作用为主导，以第四纪以来强烈的干燥侵蚀，流水侵蚀堆积，风的吹蚀为改造营力，形成现在的地貌形态。根据地貌的成因及形态将此区域地貌分为四种：中、低山地貌，低山丘陵地貌，木扎提河冲洪积平原地貌，木扎提河谷地貌。

木扎提河引水建设工程内容主要包括管线及隧道施工项目，根据现场的地质勘探结果显示项目中输水隧道区域围岩地质不理想，其岩性为粉砂岩和泥质岩，地质勘探结果显示隧道洞身为Ⅲ类围岩，并具有断层破碎带，而隧道进出口为Ⅳ类围岩，原设计为单一支护形式，但实际效果不理想，因此改用锚网喷联合支护，从而提升围岩结构的稳定性。

3 工程支护设计分析

针对工程中输水隧道顶部岩体松动利用锚杆加固可有效防止折断、冒落的现象；通过喷射混凝土则可将围岩裂隙进行密封，阻绝水流渗透；利用钢筋网可以在使用锚杆固定后更对围岩进行加固处理，并通过将单一的锚杆进行关联从而组成加固防护网络，将围岩的应力分散。此外，由于锚喷网联合支护所使用材料的特性，使其具有较好的柔性，能够适应围岩的变形，使其能够在维持围岩强度的同时满足在较差的地质条件下的支护需求。

3.1 锚网喷注浆加固工艺分析

在进行输水隧洞施工过程中通常会造成地质应力平衡受到破坏，并且随着开挖等施工的进行，将逐渐改变围岩的应力分布状态，当局部区域的应力分布较为呈现为集中且其数值大于围岩强度时将会加剧围岩弹塑性变形，且其中部分应力将会得到释放，但此状态下围岩仍具有承载力强度，若及时实施有效支护则仍能够产生较好的支护效果。

锚网喷注浆加固工艺将围岩作为施工的主要基础，通过将其作为连续介质的形式实现改变应力分布状态的目的，施工的最佳时间节点通常为隧道发生塑形变形并且释放能量的过程中，主要的方式为在节理发生闭合后将形体分解的围岩采用锚网喷注浆加固工艺处理，使其表面形成薄壁混凝土结构，从而重新形成统一的整体，并且在围岩自承作用下起到更好的支护效果。

3.2 锚杆选型

在实际工程中发现，锚杆的选择将会对锚杆支护效果产生一定的影响，其中锚杆的承载性能、规格以及布设方式、安装形式以及围岩地质条件等均是重要的影响因素，因此在进行锚杆支护方案设计时需要涉及各个相关因素：如锚杆在具有足够强度情况下才能保障其在围岩应力改变时，既能产生良好的稳定效果又能避免锚杆发生破裂；按照悬吊理论计算锚杆的长度、锚杆间排距计算（应确保锚杆布设间距能够保障围岩在锚杆两端作用下形成有效的压力拱），锚杆的安装时不可与节理裂隙面相平行避免发生支护失效；结合围岩地质条件调整支护施工工艺，选取适用规格的锚杆以发挥出其支护作用。目前工程建设中所使用的锚杆类型较多，因此需要根据工程项目的实际情况进行锚杆参数的计算及选型，案例工程中采用锚杆支护采用快速施工技术，并根据施工情况选择适当调整垫片与锚杆头的数量，可有效地增加实际工程中的支护效果。案例工程中所采用的锚杆以及帮锚杆规格为ϕ22 mm、长度2 m，间排距为1 m。

3.3 喷射混凝土及挂钢筋网实施方案

工程中支护施工以《水工隧洞设计规范》为标准，并采用最小覆盖厚度，表示为：

式中：γw表示为水的重度（单位：kN/m3，此研究中取值为10 kN/m3）；γr表示为岩体重度，（单位：kN/m3，此研究中取值为23 kN/m3）；D表示为最小覆盖厚度（单位：m）；H表示为最大内水压力水头（单位：m，此研究中取值89 m）；K表示为施工中经验系数（此研究中K取值为1.15）；α表示为坡面倾角（当α＞45°时取值为45°）。

通过计算得到隧道最小的覆盖厚度为60.23 m，对于工程中土层覆盖厚度低于此计算结果的则需要开展特殊的工程处理：案例工程中土层厚度不达标的洞段主要集中在（0+603.72～0+756.65 m），经过协商研究后决定该洞段增加内衬钢管，其他洞段使用混凝土衬砌；工程中混凝土型号为C25；由于隧道存在不同类型的围岩，因此针对各类型围岩采用相对应的支护方案（如表1所示）。

表1 不同围岩分类对应的支护措施表

4 输水隧洞围岩稳定性分析

此研究中采用仿真软件Flac 3d对案例工程隧洞围岩的进行稳定性分析：对不同工况（实施锚喷/未实施锚喷）下的围岩塑性进行模拟分析；绘制围岩灌浆圈最大/最小应力分布图；一次开挖成巷后隧道壁施加应力扰动载荷，探究围岩稳定状态。洞身段支护结构如图1所示、材料力学参数如表2所示。

表2 施工中所用材料力学参数表

图1 洞身段支护形式示意图

4.1 围岩应力

根据案例工程中实际的地质情况选择平衡拱原理作为围岩应力计算方式，当隧道开挖后顶拱区域的岩石在上部压力作用下将造成结构的垮落，从而构成拱形结构，其高度与垮落的持续时间具有直接联系。此时围岩的压力主要来源为平衡拱与衬砌之间破碎岩体的自重，使用公式可以表示为：

式中：p表示为岩体密度（kg/m3）；g表示重力加速度（m/s2）；

结合隧道围岩松动圈支护理论，工程中Ⅲ类、Ⅳ类围岩的平衡拱高度分别取值为150、200 cm；经过计算Ⅲ类围岩平衡拱半跨为450 cm、拱面积为963.44 cm2；Ⅳ类围岩平衡拱半跨为486 cm、拱面积实测为1 082 cm2。

通过上述参数计算可以得到Ⅲ类、Ⅳ类围岩的平衡拱围岩压力，即：

4.2 隧洞混凝土衬砌段结构受力分析

衬砌段中主要荷载是由山体压力、衬砌重量以及水压力所构成，衬砌内力力学参数如表3所示。

表3 隧洞混凝土衬砌段结构内力力学参数表

4.3 构建模拟计算网格

研究中所构建的模拟计算网格为实际结构的一半，大于模拟边界至隧洞距离3倍，边界约束条件设置为上边界自由及单连杆约束，研究中所构建的网格如图2所示。

图2 计算网格图

4.4 模拟结果及稳定性分析

隧道在未锚喷（工况一）以及锚喷（工况二）状态下的屈服区分布情况、灌浆圈最大/最小主应力分布情况分别如图3、图4所示。

图3 隧道不同工况下屈服区分布示意图

图4 灌浆圈最大/最小主应力分布情况图

根据上述分析结果显示，隧道断面围岩强度较低，且岩性状态不佳，屈服区主要存于顶底板60°区域，深度为0.62～1.64 m，为防止洞壁周围发生较大面积的屈服失稳，应及时采用加锚喷灌浆支护。工程案例采用锚喷灌浆支护施工后有效地提升了围岩强度，并且在相等的应力下围岩产生的屈服面积有效地减少，在实际施工中能够产生极为理想的稳定效果。

5 结论

锚喷网联合支护技术在隧道工程施工中具有显著的效果，能够提升支护结构的稳固性，对整体支护结构起到较好的支护作用，因其优异的特性必将使其成为在今后隧道加固工程中的主要应用技术。此研究结合实际工程案例展开对锚喷网联合支护技术的应用分析，验证了锚喷网联合支护技术对提高围岩稳定性的效果，因此，在未来的隧道工程施工中强化锚喷网联合支护技术的研究与发展，可以不断提升工程结构的强度与稳定性，能够工程建设的安全性提供有力的支持。