浅谈瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测及支护结构优化研究

'四川大学硕士学位论文瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测及支护结构优化研究姓名：张作光申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：何江达20060510 四川大学硕士学位论文瓦屋山水电站引水隧洞施工期围岩稳定性监测及支护结构优化研究岩土工程专业硕士研究生张作光指导教师何江达教授四川瓦屋山水电站位于眉山市洪雅县瓦屋山镇，距离洪雅县城76k血，电站总水头301m，设计水头253m，引用流量120m3／s，装机容量是24万千瓦，多年平均发电量6．99亿千瓦时，引水隧洞为圆形，内径为6．2m，总长4813m，具有多年调节性能。瓦屋山水电站引水隧洞工程的地质力学环境复杂，在洞室开挖过程中，不同洞段的地质条件、岩体结构、风化程度和地应力特征不易掌握，力学参数难以确定，施工临时支护措施的合理性也难以判定。因此，加强施工期监测，注重信息反馈分析工作，是保证施工期围岩稳定性和进行支护结构优化的基础。本文针对该工程引水隧洞开挖开展了系统的研究工作，主要成果包括：(1)根据瓦屋山引水隧洞围岩的特点，完成了引水隧洞监测方案设计，提出了重点监测项目和监控指标。(2)通过近一年施工过程中的跟踪监测及信息反馈分析，着重研究引水隧洞围岩变形的时空变化规律，提出了Ⅲ～V类围岩开挖过程洞壁收敛变形警戒指标，以及洞壁收敛速率与二次支护(衬砌)的关系。(3)结合前期的监测资料分析，明确不同典型洞段洞周围岩变形发展的过程和关键部位，总结了Ⅲ。V类围岩施工过程中临时(一次)支护的型式和效果，为下一步施工支护参数的选择提供实测依据。(4)结合隧洞监测成果分析，确定引水隧洞不同地段、不同类别日岩地应力特征与围岩力学参数，围岩时空变化规律以及锚杆受力情况等，为瓦屋山水电站引水隧洞复杂地质区域应力变化作出判断与分析，提出利于洞室稳定的优 摘要化支护方案。(5)根据不同洞段的地质情况，运用声波检测方法确定开挖过程中围岩松动范围，通过相关分析和工程类比，提出不同类别围岩变形模量建议值。(6)论证了围岩变形模量(弹性抗力系数)对隧洞混凝土衬砌结构受力与配筋影响显著的结论，并结合围岩变形监测和声波检测成果，提出了隧洞衬砌结构配筋优化结果。’关键词：引水隧洞围岩变形监测支护衬砌结构优化 四川大学硕士学位论文TheResearchabouttheOptimizationoftheTimberingStructureandtheMonitoringtotheStabilityoftheWallrocksoftheWawuMountainHydroelectricStationDuringtheConstructionPeriodMajor：Gco-technicalEnginoeringPostgraduate：ZhangZuoguangTutor：Prof．HeJiaagdaTheWawuMountainhydroelectricstationislocatedinWawutown，HongyaCounty,MeishancityofSichuanprovinceandis76kmawayfromHongyacounty．Thegrossheadofthestationis301mhi曲andthedesignhead253m．Itsdischargeis120m3／s，theinstalledcapacityis240thousandkwhandthemulti—yearaveragegeneratedenergyis699billionkwh．TheCROSS-$P戈tionofdive岱iontunnelisround；itsinternaldiameteris6．2manditstotallensis4813m，havingthefunctionofpluriennialregulation．ThecomplexaeromechanicalenvironmentemergesinthediversiontunnelofWawuMountainpowerstation．Intheprocessofexcavating，thedifficultiesofmasteringthegcolo百calcondition,therockmassstructure，theweatheringdegreeandthegcostressfeatureofdifferenttunnelsectionsexist．Besides。“ishardtodefinethemechanicalparameterortojudgetherationalityofthetemporarysupportmeasurement．Therefore，itisthebaseforthestabifityofwallrockandtheoptimizationofsupportslructuretoreinforcethemomtodngworkaswellasto埘stresstotheanalysisofinformationfeedbackintheconstructionperied．hviewoftheexcavationofthediversionuameLthispaperpresentssomesystematicresearchthatmainlycontainsthefollowingpoints：(1)AccordingtothefeaturesofwallrockinthetunnelofWawupowerstation,Ⅲ 摘要completethedesignofthemonitoring，andproposethemajormonitoringtermandtheindex．(2)ThrougIlthetracemonitoringandinformationfeedbacknearoneyear,providetheparameterofreinforcingbarsforthewallrockinthenextperiod,proposethealertindexforconvergencedistortionofwallintheexcavationfor3-5kindsofwallroeLandtherelationbetweentheconvergencerateandthesecondsupport．(3)Inthelightofthemonitoringdatagotinthepriorperiod，definethedevelopmentandthekeypartofthewallroekdistortionindifferenttypicaltunnelsectionsandgeneralizethetypesandeffectivenessoftemporarysupportfor3-5kindsofwallrock,inordertoprovidemeasuredbasisforthechoiceofthesupportparameterinthefollowingconstruction．(4)Combiningwiththeanalysisofmonitoringdata，determinethegroundstressfeatureandthemechanicalparameterofdifferentkindsofwallrockindifferentdiversiontunnelsections，andthelawofthewallrockdistortionandthestressonanchorarm,makcjudgmentandanalysisaboutthestresschangeofthecomplexgeolo百calregionofthediversiontunnelinWawuMountainhydroelectricstation,andproposetheoptimizedsupportschemeinfavorofthestabilizationoftunnels．(5)AccordingtOthedifferentgcolo#calconditionofdifferenttunnelsections。fredouttherangeofloosenessfordifferentkindsofwallrocksinthediversiontunnelbythesound-wavecheckingmethod．Bytherelatedanalysisandcomparison,proposethedeformationmodulusfordifferentkindsofwallrocks．(6)Demonstratetheconclusionthatthedeformationmodulusofwallrockiseffectiveforthestressontheconeremliningoftunnelandreinforcingbars，andproposetheoptimizationofreinforcingbarsintheliningoftunnelwiththeresultsofthedeformationmonitoringandsound-wavechecking．Keywords：diversiontunnel，wallrockdistortion，monitoring，supporting，lining。optimizationofstructureIV 四川大学硕士学位论文1概论1．1论文选题的依据及意义“哪随着我国改革开放的进一步深入，特别是西部大开发的全面展开，基础设施的建设如火如荼，特别是水电工程建设中，引水隧洞的稳定性将会对工程修建的可行性决策起到控制作用，并在很大程度上影响工程建设的投资和经营效益，会给国民经济建设造成重大损失，甚至危及人民群众的生命财产安全。在水电站的勘察设计、施工、运行期间，引水隧洞稳定问题是最主要的工程地质问题之一．引水隧洞的稳定性已成为制约水电站选点，施工进度、投资和安全运行的关键因素。因此人们越来越重视对引水隧洞稳定性的监测与研究。近年来，随着国内一大批大中型水电站的勘测、兴建，人们对于引水隧洞稳定性的监测积累了丰富的监测经验，并总结了许多关于监测方面的指导理论，开发了多种新的监测技术，研发了一些行之有效的分析评价方法。这些成果在解决一系列水电工程引水隧洞稳定性问题中发挥了重要的作用。引水隧洞的塌方及变形是常见的工程施工中最严重的灾害之一，特别是在复杂地质段尤为突出，由于引水隧洞稳定性这一问题的复杂性，人们对于引水隧洞的稳定性的认识与监测仍处于感性阶段，它已经成为制约水电工程建设，影响国民经济发展的重大科研技术问题，受到了人们的高度重视。因此，引水隧洞稳定性监测研究具有重大的现实和历史意义。各种地下工程建造在地质构造复杂、岩石特性不均匀的地基上，在各种力的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常，而又不被我们及时掌握这种变化的情况和性质，任其险情发展，其后果不堪设想。1954年建成的坝高66．5m的法国马尔巴塞(MaIpasset)双曲拱坝，蓄水后在压力作用下左坝肩部分岩体产生了不均匀变形和滑动。由于没有必要的安全监测设施，结果在管理人员没有丝毫的觉察下，于1959年12月2日突然溃决，短短45分钟，使坝下游8km处的一兵营500名士兵全部丧生，距坝lOkm的一城镇变成废墟，直接经济损失6800万美元。但是，如能在事前运用必要的有效观测手段对这些工程进行监测，及时发现问题，采取有效的措施，上述灾难就可避免。1985年6月12日在长江三峡的新滩，发生大滑坡，2000万m3堆积体连带新滩古镇一起滑入江中．可是险区的居民却全部提前安全撤 t概论出，无一伤亡，这全靠安全监测所作出的准确预报。上述正反两方面的实例充分地阐明了采用仪器进行安全监测，对各种工程和人民的安危是何等的必要。安全监测除了及时掌握建筑物的工作性态，确保其安全外，还有多方面的必要性：一是诊断的需要，包括验证设计参数改进未来的设计；对新的施工技术优越性进行评估和改进；对不安全迹象和险情的诊断并采取措施进行加固及验证建筑物运行处于持续良好的正常状态。二是预测的需要，运用长期积累的观测资料掌握变化规律．对建筑物的未来状态作出及时有效的预报。三是研究的需要，观测资料是建筑物工作性态的真实反映，为未来设计提供定量信息，可改进施工技术，利于设计概念的更新和对破坏机理的了解。瓦屋山水电站引水隧洞推荐采用“两机一洞’"有压引水隧洞方案，引水线路区属中山区，地形起伏大，地面高程960～1513m，最大高差550m，出露基岩主要为侏罗系上统蓬莱镇组(J3P)、白垩系下统夹关组(KIj)与灌口下组(K191)地层，地质结构复杂，引水隧洞开挖过程中围岩稳定性问题突出。本文结合瓦屋山水电站引水隧洞工程，采用收敛和声波检测的方法，系统研究引水隧洞围岩开挖后的围岩卸荷效应，揭示工程开挖过程中可能出现的失稳区域，寻求相应的加固处理对策，分析评价“新奥法”在工程旅工中的作用，其研究成果具有较高的学术和工程实用价值。1．2国内外研究现状及评述1．2．1围岩稳定性监测技术的发展⋯岩石隧洞监测的对象主要是围岩、衬砌、锚杆和钢拱架及其他支撑，监测的部位包括地表、围岩内、洞壁、衬砌内和衬砌内壁等，监测类型主要是位移和压力，有时也监测围岩松动圈和声发射等其他物量。为了监测洞周表面或围岩不同深度的位移，可采用单点位移计法、多点位移计法、滑动式位移计法、收敛位移监测法等。压力监测包括地下洞室内部和支衬结构内部的压力，以及围岩和支衬结构间接触压力的监测。压力监测通常采用应力计或压力盒。在支衬内部及围岩与支衬接触面上的压力盒的埋设，只需在浇注混凝土前将其就位固定，监测围岩压力的压力盒则需专门的钻孔，将压力盒放入钻孔内预定的深度后，用速凝砂浆充填密实。岩土工程的安全监测起步较晚，它是随着岩土工程的失事为人们提供教训2 四川大学硕士学位论文后，不断地寻求监测和监测手段而逐步发展起来的。20世纪50年代以来，地下工程的事故主要是岩石主体所致。如果能够在事故发生前得到信息，进行准确的判断，及时采取有效的防范措施，可以制止事故的发生，于是监测工作逐步受到重视。由于岩体复杂，岩石力学又是一门新的科学，尚属半经验半理论的性质。因此，在时间和空间上对岩石地下工程的安全度作出准确判断还有很大困难，有关岩石工程安全问题的解决，更多地是依靠测试和观测，所以，人们更多地把工程安全情况的判断，寄希望于工程建设过程中的原位监测。通过监测保证工程的施工、运行安全；同时，又通过监测验证设计，优化设计和提高设计水平．岩石工程的失稳破坏．都有从渐变到突变的发展过程，一般单凭人们的直觉是难以发的。必须依靠设置精密的监测仪器进行周密监测。为了做到更进一步，首先要作出符合实际的观测设计，然而准确地作出一项监测布置和预计一项工程监测需用多少仪器和仪器的类型是很困难的，特别是对工程安全有控制作用的仪器更为困难。因为仪器的选择要考虑整个工程的地质条件和岩体的工程技术性质。此外，仪器的埋设、布置和测量，不但依靠计算，还要根据已知条件和分析条件，以工程和工程周围的特性决定。所以，20世纪70年代以来，对于监测项目的确定、仪器的选型、仪器的布置、仪器的埋设技术与观测资料的整理分析等项目的研究工作逐步加深。在工程设计中也同时进行监测数据布置，编写实施技术要求。但是由于起步较晚，还远不能适应岩土工程建设发展的需要。已经做过的工作，由于经验不足，存在许多亟待解决的问题。安全监测设计，由于无规范性的实施方案可循，很难做到经济合理、安全可靠，当然也达不到时间和空间上连续性的要求。尤其是针对工程和地质结构特点进行布置，使其做到行之有效并经济合理尚缺乏经验。因此，情况不清，盲目布设仪器等造成浪费的现象时有发生。同时，在实际监测设计选用仪器时如何考虑仪器的技术性能、埋设和测读的简繁以及费用的合理性，还缺少可靠的依据。由于仪器种类很多，各具特色，技术性能和运用条件各不相同，要做好安全监测，就是仪器的选型问题。许多工程由于没有质量标准和全面的选型原则，盲目采用进口仪器，或者主观采用自己习惯的和自制的仪器，造成仪器失效或测得的资料不符合计量标准，无法分析。仪器埋设技术和观测方法，缺少标准，随着原位监测的发展，问题也越加突出，有些新仪器虽然性能可靠，但由于实际应用较少，在环境恶劣的岩土工程中，不敢使用；用得多的仪器安装埋设技3 1概论术要求得不到保证，监测方法又不当，大量的仪器因此而失效，或得不到满意的结果。在我国从20世纪80年代初开始，科技攻关和工程实践对所存在的问题进行了广泛而深人地研究，监测设计和监测方法不断地改迸。在一些大型工程中深入研究了安全监测布置，—些考虑地质地貌条件、岩体工程技术性质、工程布置、监测空间和时间连续性的要求等因素的安全监测布置原则和方法，相继提出。在充分研究工程安全监测仪器的使用经验和效果、仪器种类和技术性能、质量评定标准的基础上．确认了一批供仪器选型用的仪器．对这些仪器的技术指标、适用条件、稳定性等也有了评定标准。安全监测仪器安装埋设与观测的标准化、程序化和质量控制措施也逐步的形成、完善。相继编制了各种建筑物安全监测规程、规范、指南和手册。进入20世纪90年代以来，岩土工程安全监测手段的硬件和软件迅速发展，监测范围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系统、安全预报系统也在不断的完善。岩土工程设计采用新的可靠度设计理论与方法以来，安全监测成为必要的手段，成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段，成为工程设计、施工质量控制的重要手段。二滩、三峡、小浪底等大型工程的设计和施工，采用了大批20世纪90年代的先进技术，监测工程的设计、施工、观测、资料整理分析和质量控制基本实现标准化、自动化，监测技术水平有较大的提高，岩土工程安全监测将以一个新的面貌迎接未来各项工作的挑战【”】。1．2．2地下洞室支护结构设计方法的进展【1乒17l地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史了，随着新型支护结构的出现，岩土力学、测试仪器及计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程支护结构理论正在逐步形成一门完善的学科。1．2．2．1地下工程的受力特点地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有很大不同，沿用地面工程的设计理论和方法来解决地下工程问题，显然不能正确地说明地下工程中出现的各种力学现象，当然也不可能由此作出合理的支护设计。地下工程的受力特点大致可归纳成如下几点：4 四川大学硕士学位论文(1)地下工程是自然状态下的岩土地质体内开挖的，因而地下工程的这种地质环境对支护结构设计有着决定性意义。地下工程的地质环境包括地质体的形成及其经历，工程地质和水文地质状况，原岩应力场及地质体的物理和力学特性。与地面结构不同，地面结构的荷载比较明确，而且荷载的量级不大。地下工程上的荷载取决于当地的地应力，但地应力不仅很难测准，而且难以进行测试。目前，一般工程都不作地应力量测，这就使地下工程的计算精度受到影响。其次，地面工程中材料的物理力学参数可通过试件测试获得；而地质体力学参数与试件力学参数往往有很大不同，试件力学参数没有代表意义，地质体力学参数一般要能过现场测试，不仅难以进行而且不同地段区别很大，这也使地下工程的计算精度受到影响。因此对地下工程来说，只有正确认识地质环境对支护结构体系的影响，才能正确地进行支护结构的设计。(2)地下工程周围的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它本身又是一种承载体。作用在地质体上的原岩应力是由地质体本身和支护共同来承载的。作用在支护结构上的压力除与原岩应力有关外，还与地质体强度，采用的施工方法与施工时间，支护的形式与尺寸及洞室开关等因素有关。充分发挥地质体自身的承载力是地下支护结构设计的一个根本出发点．但对地面结构来说不存在这一问题，荷载只由结构来承受。(3)作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时机的影响。某些情况下，即使选用的支护尺寸已经足够大，但由于旌作时机和施工方法不当，仍然会遭受破坏。因而地下支护结构设计的另一特点是将受到施工因素和时间因素的影响。(4)与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳。这两种原因都能最终导致支护结构破坏。支护结构的承载力可由支护材料强度来判断，但围岩是否失稳至今没有妥善的判断准则，一般都按经验来确定。(5)地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力。要达到这点，就必须要求围岩在一定范围内进入塑性。但当岩土地质体进入塑性后，其本构关系是很复杂的。因此，由于本构模型选用不当亦会影响到计算精度。可见，在力学模型上，地下工程也要比地面工程复杂。5 1概论1．2．2．2地下洞室围岩压力计算理论岩石隧洞最早的设计理论是来自俄国的普氏理论。普氏理论认为在山岩中开挖隧洞后，洞顶有一部分岩体将因松动而可能塌落，塌落之后形成路拱型，然后才能稳定，这块拱形塌落体就是作用在衬砌顶上的围岩压力，然后按结构上承受这些围岩压力来设计结构，这种方法只适合于明挖回填法施工的岩石隧洞。随后，人们逐渐认识到了围岩对结构受力变形的约束作用，提出了假定抗力法和弹性地基梁法，这类方法对于覆盖层厚度不大的暗挖地下结构的设计计算是较为适合的。另一方面，把岩石隧洞与围岩看作一个整体，按连续介质力学理论计算岩石隧洞及围岩的内力。由于岩体介质本构关系研究的进步与数值方法和计算机技术的发展，连续介质方法己能求解各种洞型、多种支护形式的弹性、弹塑性、粘弹性和粘弹塑性解，已成为岩石隧洞计算中较为完整的理论。但由于岩体介质和地质条件的复杂性，计算所需的输入量(初始地应力、弹性模量、泊松比等)都有很大的不确定性，因而大大地限制了这些方法的实用性。60年代起，奥地利学者和工程师总结出了以尽可能不要恶化围岩中的应力分布为前提，以反分析(BackAnalysisTheory)为导向，在施工过程中密切监测围岩变形和应力等，通过调整支护措施来控制变形，从而达到最大限度地发挥围岩本身自承能力的新奥法(NewAustriantunnelingMethod)隧洞施工技术．由于新奥法施工过程中最容易而且最直接的监测结果是位移及洞周收敛，而要控制的是隧洞的变形量，因而，人们开始研究用位移监测资料来确定合理的支护结构形式及其设置时间的收敛限制法设计理论．在以上研究的基础上，近年来又发展起来了岩石隧洞的信息化设计和信息化施工方法。它是在施工过程中布置监控测试系统，从现场围岩的开挖及支护过程中获得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息，通过分析研究这些信息以间接地描述围岩的稳定性和支护的作用，并反馈于施工决策和支持系统，修正和确定新的开挖方案和支护参数，这个过程随每次掘进开挖和支护的循环进行一次。与地面工程不同，在岩石隧洞设计施工过程中，勘察、设计、施工等诸环节允许有交叉、反复。在初步地质调查的基础上根据经验方法或通过力学计算进行预设计，初步选定支护参数。然后，还须在施工过程中根据监测所获得的6 四川大学硕士学位论文关于围岩稳定性和支护系统力学和工作状态的信息，对施工过程和支护参数进行调整。施工实测表明，对于设计所作的这种调整和修改是十分必要和有效的。这种方法并不排斥以往的各种计算、模型实验及经验类比等设计方法，而是把它们最大限度地包容在自己的决策支持系统中去，发挥各种方法特有的长外。我国在地下洞室监测方面起步比较晚，但近几年理论发展比较快，监测理论已成为一门独立的科学体系，目前国内监测技术的研究也取得了长足的发展，监测理论也逐步走上成熟。I．2．2．3支护结构的设计方法地下工程的受力特点表明，地下工程的计算，无论在原理上或计算参数的选用上都比地面工程复杂得多，尤其是当仿效地面结构，按假设的荷载和岩块试件的力学参数作为计算依据，那是不可能获得精确结果的。目前，还没有一种很合理的地下支护结构的计算和设计方法。一般地，地下工程支护结构的设计都是采用以经验为依据的工程类比设计法为主，再辅以量测为手段的现场监控设计法和计算为根据的理论分析设计法。地下工程支护结构设计是一门经验性很强的学科。长期以来，地下工程都是凭经验进行设计施工的，这些经验来自大量的工程实践，有一定的科学依据。此外，工程类比设计法本身也在不断的发展，除了日益增多的经验积累之外，还要使经验愈来愈符合理论观点和不断地使经验的处理科学化。如在经验设计法中引用各种量测数据，以及采用统计数学、模糊数学和数值分析等现代手段。近30年来，弹塑性力学、流变学及岩土力学等现代学和计算机技术的发展，克服了理论分析中数学和力学上的障碍，使理论设计法有了极大的进展。然而，计算参数和计算机理方面的一些障碍仍然存在，理论设计法一般还只能作为设计的参考依据。最近lO多年来，由于量测技术和计算技术两方面的互相渗透，现场监控设计方法有了很大进展。现场监控量测是将旌工前和施工过程中测得的测试数据反馈于设计和施工，以期获得最佳的设计和施工方法。应当指出，地下工程的设计含义还应包括旅工方法和施工参数的选择在内。现场监控设计有测试的科学依据，又能适应多变的地质条件和各种不同的施工方法，同时，它能以现场测试数据反算出比较准确的计算参数，或者直接7 1概论以测试数据为计算参数对围岩与支护的受力状态作出分析，这就克服了理论计算法中计算参数获取的障碍。由此可见，它比理论设计法更能体现地下工程支护结构的特点，比工程类比法有更强的科学依据，这正是监控设计法能够迅速发展的原因。当然，监控设计法也还存在一些问题，除需有较完备的测试仪器和作较多的量测工作外，量测数据的分析和反馈计算成果的判断，仍然依赖于人们的经验。另外，耳前还缺少比较完善的反馈理论和反馈计算方法，所以，现场监控设计法还有待于不断发展和完善。1．2．2．4现代支护结构原理与类型随着岩石力学的发展和锚喷支护的应用，逐渐形成了以岩石力学理论为基础的，支护与围岩共同作用的现代支护结构原理，应用这一原理就能充分发挥围岩的自承力，从而能获得极大经济效果。当前国际上广泛流行的新奥地利隧洞设计施工方法，就是基地现代支护结构原理基础之上的。归纳起来，现代支护结构原理包含的主要内容有以下几方面：(1)现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护看成是由两种材料组成的复合体。按一般结构观点，亦即把围岩通过岩石支承环作用使之成为结构的一部分。显然，这完全不同于传统支护结构的观点，认为围岩只产生荷载而不能承载，支护只是被动地承受已知荷载而起不到稳定围岩和改变围岩压力的作用。(2)充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由此降低围岩压力以改善支护的受力性能。发挥围岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力；另一方面允许围岩进入一定程度的塑性，以使围岩自承力得以最大限度的发挥。无论是岩石的应力应变还是岩体节理面的摩擦力与位移的关系都具有同样的规律，即起初随着应变或位移的增大，岩石或岩体的强度逐渐获得发挥，而进入塑性后，又随着应变或位移的增大，强度逐渐丧失。可见，围岩刚进入塑性时，发挥的自承力最大。按上所述，现代支护结构原理一方面要求采用快速支护，紧跟作业面支护，预先支护等手段限制围岩进入松动；另一方面却要求采用分次支护，柔性支护，调节仰拱施作时间等手段允许围岩进入一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自 四川大学硕士学位论文承能力。(3)现代支护原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。采用柔性薄型支护，分次支护或封闭支护，以及深入到围岩内部进行加固的锚杆支护，都具有充分发挥材料承载力的效用。喷层柔韧性大且与围岩紧密粘结，因此喷层主要是受压或剪破坏，它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土承载能力。我国铁道学院铁建所曾进行过模拟试验，表明双层混凝土支护比同厚度单层支护承载能力高，一般能提高20％．30％。所以分次喷层方法，也能起到提高承载力作用。(4)根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护原理主张凭借现场监控测试手段，指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构型式，参数和最佳的施工方法与施工时机。因此，现场监控量测和监控设计是现代支护原理中的一项重要内容。(5)现代支护原理要求按岩体的不同地质、力学特征，选用不同的支护方式，力学模型和相应计算方法以及不同的施工方法。如稳定地层、松散软弱地层，塑性流变地层，膨胀地层都应当分别采用不同的设计原则和施工方法。而对于作用在支护结构上的变形地压，松动地压及不稳定块体的荷载等亦都应当采用不同的计算方法。1．新奥法基本原理【18-231“新奥法”是“新奥地利隧道修建方法”的简称，其英文为“NewAustriaTunnelingMethod”，常简写为“NATM”，是由奥地利土木工程师Rabeewiez(拉布舍维奇)、Mtiller(缪勒)在60年代总结隧道建造实践经验的基础上创立的。1934年，奥地利土木工程师Rabeewicz提出了在隧道中应用“喷浆”的技术；1942-1945年，该技术在奥地利阿尔卑斯山一深埋硬岩隧道施工中被采用；二战以后，混凝土喷射机和速凝剂的出现，使喷浆技术有了很大的发展；锚杆出现以后，Rabcewicz以喷锚支护(10ckboltsupportwithshotcrete)的实践和岩体力学理论为基础，提出了“NATM”；1963年，该方法在一次国际土力学会议上被正式命名为“NATM”并获得专利。20世纪60年代中期Miiner把新奥法用于法兰克福、慕尼黑等城市地铁软岩(土)隧道中，Miiller同时强调，硬岩隧道与软岩(土)隧道用新奥法应有区别。由于新奥法在隧洞工程中的成功应用，当前已被国内外作为隧洞结构设计9 1概论和施工的重要指导。新奥法的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。以喷射砼、锚杆和量测技术为三大支柱的新奥法，有一套保护隧洞围岩原有强度，容许围岩变形但又不致出现强烈松弛破坏、又能及时掌握围岩和支护的变形动态的基本原则，以此作为指导隧洞结构设计和施工的信息，使隧洞围岩变形与限制变形的结构支护抗力保持动态平衡，具有极大的适用性和经济性。新奥法的基本原理如下：．(1)围岩是隧洞结构的主要承重部分；(2)开挖后需对围岩进行加固，以使围岩在开挖卸载后不失去原有的强度；(3)隧洞围岩支护过程中应尽量减少围岩卸载位移的程度；(4)隧洞围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环区；另一方面，又必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载；(5)初次支护主要作用不是用来承担隧洞围岩所失去的承载力，而是保持围岩的自承状态，防止严重的松驰和卸载；(6)初次支护的建造应是适时的，延时一定时间使围岩在开挖后来得及变形并形成承力保护区，以达到较好的支撑效果；(7)围岩自稳时间的评定，一方面通过对围岩地质条件的初步调查，另一方面可通过在建造过程中量测隧洞洞周的位移来评定；(8)由于喷射混凝土具有可填平凸凹面、与围岩密贴等特点，使围岩的受力条件不发生严重的应力分布，常被用来作为初次支护，必要时还使用锚杆、钢筋网和钢拱架；(9)由于喷混凝土本身具有强度高和可变形的特点，其整体的结构效应通常可视为薄壳，具有可塑性和可收缩性的能力；(10)从静力学的角度看，孔洞的受力状态视为圆管时最好，隧洞开挖后需及时建造仰拱，以形成封闭结构。(11)初次支护只要没有被腐蚀破坏，即可视为整体承重结构的一部分；(12)孔洞从开挖到封闭所需的时间主要取决于施工方法，围岩的变化很难定量解释，可经过施工前的地质调查资料进行估计，施工过程中通过测量来控制和修改；(13)从静力学角度来看，隧洞横截面为圆形时受力条件最为有利，因此，10 四川大学硕士学位论文设计的横截面应尽可能接近圆形或椭圆形，严格限制超挖和欠挖；(14)应特别注意施工过程中工程荷载对隧洞受力的影响。为了尽量限制开挖后隧洞围岩二次应力重分布发生和松动圈形成的范围，应尽可能减少开挖次数，或至少拱部采用一次开挖方案；(15)为了提高隧洞结构的安全度及达到密封的效果，可建造内薄层衬砌，使结构内不产生过大的弯曲应力，内层与外层相互之间只传递压力；(16)为了增加衬砌的强度，一般不增加其厚度而增加钢筋含量(即钢拱)，增大整个结构的刚度可通过增加锚杆的个数或增大锚杆的长度以形成围岩受力环区来实现；(17)对整体结构系统的稳定性和安全度评价及设计结构需要加强的必要性以及设计结构刚度的减小，均根据建造过程中的应力及变形状态的测量结果来确定；(18)控制外源水压和静水压力的手段是，通过在外壳(必要时也在内壳)上设置软管及足够的密封排水装置来实现。(19)设置固定的观测系统，监测围岩的位移及其变形速率，并进行必要的反馈分析，正确估计围岩特性及其随时间的变化，以确定施作初期支护的有利时机和是否需要补强支护等措施。2．新奥法最重要的基本原则缪勒(LMOiler)教授指出，根据岩石力学的理论，新奥法遵从一系列的岩体规律和原则，只有遵从这些原则才能顺利施工而不出问题。他提出的原则共22条，归纳起来主要如下：(1)在隧洞开挖过程中，应尽量避免过多地破坏扰动围岩，防止围岩松动。开挖后应适时地进行支护，支护应全部与围岩紧密联结，而不是仅支撑几个点，为此应采用喷射混凝土。喷射混凝土支护可全部封闭开挖表面，有效地防止围岩松动，保持岩体强度，使围岩产生自己支撑自己的能力。(2)围岩在未开挖时处于三维应力状态，在三维应力状态下围岩是稳定的。开挖使围岩成为二维应力状态，而在二维应力状态下的围岩强度是很低的，因此应尽量避免出现这种不利的应力状态。开挖后适时采用喷射混凝土支护，可使开挖面受到侧向约束，恢复与保持围岩原来的三维应力状态，并在围岩内形成一个较小的支撑圈，支撑圈可承受住圈外的围岩压力，而支撑圈与衬砌间的ll 1概论围岩压力则很小。(3)喷射混凝土支护一定要适时，最佳时间是开挖后岩体产生了一定的变形时，这时支护承受的压力最小。支护过早，岩体尚未变形，支护会受到很大的压力；支护过晚，岩体将产生大的变形，使支护受到更大的压力。另外，支护的刚度也要合适，刚度太大，会因岩体变形产生较大的应力；刚度太小，则不能满足支护要求。(4)不论是外层的喷锚临时支护还是内层的现浇混凝土永久衬砌，都要薄一点。如果薄的喷混凝土支护强度不够，可以加设钢筋网、锚杆及钢拱架，而不宜增加支护厚度。传统的厚壁衬砌结构是在受弯状态下工作，要承受很大的弯曲应力；而薄壁柔性结构是在受剪状态下工作，可以充分利用混凝土的抗剪强度，相应减少衬砌工程量。临时支护也是永久支护的一部分，永久支护应在临时支护基本稳定的情况下进行，其作用是增加稳定性。(5)支护结构尺寸及适宜的支护时间需通过施工现场变形量测来确定。一般用多点伸长计量测不同部位的围岩变位，并观测混凝土内部及混凝土与围岩接触面的应力，以及锚杆所承受的拉力等。通过观测可以确定洞室是否趋于稳定。(6)新奥法修建的隧洞可看作是一个由喷锚支护及围岩支撑圈构成的“管道”，围岩压力是由支护及围岩支撑圈共同承受的。为了形成这样的“管道”，除非围岩很坚硬，一般都需在底部设置仰拱，而且设置仰拱的时间是越早越好。(7)尽可能全断面开挖，如不可能则可采用二次开挖，而不宜多次开挖。因前一次开挖时在围岩中形成的支撑圈，会被下一次的开挖所破坏，开挖次数多了就会降低屈岩自己支撑自己的能力。．．(8)如果围岩内有地下水，应设周密的排水系统释放渗透水压力。总之，新奥法的核心在于充分发挥围岩的自承作用。喷射砼、锚杆起加固围岩的作用，把围岩看作是支护结构的重要组成部分，并通过监控量测，实行信息化设计和施工，有控制地调节围岩的变形，以最大限度地利用围岩自承作用。3．新奥法的特点传统的隧洞工程是采用刚度大的厚壁衬砌结构来承受围岩压力，开挖过程中采用木支撑或钢支撑作为临时支护，从开挖到永久衬砌结束，需经较长的时 四J11大学硕士学位论文间过程。新奥法根据岩石力学理论认为，木支撑或钢支撑与围岩都只有几个接触点，在非接触处，支护与围岩间存在一定的空隙，随着时间的增长，不可避免地会发生围岩松动变形及支护接触点破坏，从而使岩体强度降低，产生较大的围岩压力，甚至发生塌方。新奥法则摒弃了传统的木支撑或钢支撑，在开挖后适时地采用喷射混凝土作为临时支护。喷射混凝土能与围岩紧密连接，将整个开挖面全部封闭，可以有效地防止围岩松动，保持围岩强度不降低，并使支护与围岩共同形成坚固的支撑圈，提高围岩自己支撑自己的能力，从而可以大大减小衬砌厚度。与喷射混凝土同时使用的还有钢筋网，锚杆及钢拱架，共同组成喷锚支护。新奥法的支护结构一般包括一次支护及二次支护两层支护，一次支护为喷锚临时支护，二次支护为现浇混凝土衬砌的永久支护，临时支护也是永久方护的一部分。喷锚支护是新奥法的主要支护手段，是新奥法的基本组成部分，但不是新奥法的全部。更重要的是如何正确地应用岩石力学的原理，正确地应用喷锚支护手段。新奥法的设计包括结构设计及施工设计两部分，两者是紧密结合的。新奥法的设计主要采用工程类比法，在设计中将本工程的地质条件等情况与类似的已建工程进行对比分析，初步确定设计方案。施工的全过程中，自始至终通过对围岩动态的量测监控，监视围岩是否安全稳定，确定适时的支护时间，并通过现场量测验证及修改完善设计方案。1．2．2。5新奥法的设计施工及现场量测1．设计新奥法是隧洞工程的一门新技术，其基本理论及应用技术尚处于发展之中，很多内容还未被人们所认识和接受，还有人误认为喷锚支护就是新奥法的全部。如以上所述，实际上喷锚支护只是新奥法的一种支护手段，而且新奥法的喷锚支护手段在理论上也有其自己的独立体系。隧洞的力学理论分为松动压学派及粘、弹、塑性理论学派两个体系，喷锚支护的设计理论也包含在这两个学派中。在前苏联、我国及西北欧一些国家，是按悬吊理论或冲切破坏理论设计喷锚支护，均属于松动压学派。新奥法则是利用粘、弹、塑性理论的定性成果，着眼 1概论于围岩变位的稳定来设计喷锚支护结构。由于围岩生成条件及地质作用的复杂性，以及开挖方法、支护时机等对围岩稳定性均有影响，因此新奥法对支护结构的设计目前尚没有成熟的理论计算方法，而主要是在其基本理论的定性成果指导下，采用工程类比法及通过现场变形量测来制定和完善设计施工方案。即设计分两阶段进行，第一阶段是应用工程类比法，将本工程的地质条件等实际情况与条件类似的已建工程进行全面的分析比较，以确定初选的设计施工方案。第二阶段是根据现场量测数据判定围岩的变位稳定状态，并据此修改完善设计施工方案。初选设计施工方案的内容主要包括：隧洞的断面形状及尺寸；开挖的方式方法及主要机械设备；外层喷锚支护结构组成成分、设计参数及支护时间；内层现浇混凝土衬砌设计参数及实施时间；一次开挖长度；现场量测断面位置、量测项目及容许内空变位量；复杂地质区段必须采用和可能采用的预支护、预加固、排水等辅助施工方法及机械设备等。如果新奥法施工经验比较丰富，即可按初选设计施工方案实施。如果缺乏新奥法设计施工经验，尚需考虑进行施工试验，通过施工试验验证后才能制定实施方案。2．施工(1)开挖。开挖应与喷锚支护交叉进行。为了充分利用围岩的天然承载力，应采用光面爆破，并尽可能采用全断面开挖，地质条件较差时可采用台阶式或分块环形开挖。一次开挖长度应根据地质条件及开挖方式确定，在中硬岩石中的一次开挖长度一般约为2～2．5m，在较差地层中的一次开挖长度一般为lm，岩质条件很好而又采用深孔爆破时的一次开挖长度可达4m。(2)一次支护。一次支护为喷锚支护，包括初喷混凝土、打锚杆、设置钢筋网、立钢拱架及复喷混凝土等工序。初喷混凝土厚度一般为3～5cm，如设计的一次支护喷混凝土较厚，可采用多次复喷，每次复喷混凝土厚度约5～8em。完成一次支护的时间非常重要，施工经验证明，采用喷锚支护如果忽视时间效应及空间效应，不仅达不到预期效果，甚至会造成工程事故，特别是在围岩较差的情况下，这种事故屡有发生。一次支护一般应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成，根据目前的施工经验，在中硬岩石中一次支护应在开挖后2～3h内完成，岩质条件差时应缩短一次支护的完成时间。14 四川大学硕士学位论文(3)二次支护。二次支护为现浇混凝土衬砌。是否需采用二次支护，应根据围岩条件确定。对于坚硬、完整或比较完整的围岩，可不进行二次支护。二次支护一般不应承受围岩变位的荷载，因此应在一次支护基本稳定后实施，一般约在完成一次支护3～6个月后进行。我国目前大多数采用新奥法的水工隧洞，尤其是比较重要的隧洞工程，都有二次支护．二次支护不仅可以提高安全度，还可以减小糙率及过水断面，并提高防渗效果。3．现场量测现场量测是新奥法确保工程安全、指导施工、修改完善设计的一个重要手段。现场量测项目分为必测项目及选测项目。必测项目是新奥法的重点量测项目，包括隧洞内目测观察、内空变位量测、锚杆拉拔抗力量测、顶板下陷量测等，主要用以判断围岩稳定状态、判断支护结构的工作状态及指导设计施工，这类量测方法简单，费用少，而作用很大。选测项目是有特殊需要时进行的补充量测，包括围岩内变位、锚杆轴向力、支护层应力、围岩压力及围岩物理力学性能等，主要用以判断围岩松动状态及喷锚支护效果，这类量测项目多而复杂，费用大，除了有特殊量测任务的地段外，一般只选其中一些必不可少的项目进行量测。必测项目及部分选测项目的主要量测目的如下．(1)隧洞内目测观察。目测观察是新奥法很重要的一个量测项目，是监视围岩稳定性既省事又有效的一种方法。通过目测观察可以掌握围岩的岩质、断层破碎带、褶皱、变质带等性状；掌握喷混凝土及其他支护结构的变形情况。(2)内空变位量测。内空变位是判断围岩动态最主要的量测项目，这项量测设备简单，操作方便，而对监测围岩动态有很大作用。通过内空变位量测以掌握断面变形状态及变位收敛情况，根据变位速度判断围岩稳定性，确定是否需增打锚杆及判断断面闭合时期等。(3)顶板下陷量测。顶板下陷量测主要是监测顶板绝对下陷量，防止发生坍塌。对于围岩为水平岩层时，顶板下陷量测值是反映隧洞安全及稳定性的重要数据。(4)锚杆拉拔抗力量测。主要是检查锚杆打设质量及锚固效果，判断锚杆长度是否适宜。(5)围岩内变位量测。主要是判断围岩的松动区、强度下降区及弹性区的范围，据此进一步确定锚杆长度。 l概论(6)锚杆轴向力量测。主要是了解锚杆中的应力分布状态，判断是否需要修改锚杆设计长度及数量。(7)喷混凝土层应力量测。主要是判断喷混凝土层中的应力状态及喷混凝土层所承受的荷载。1．3论文研究的内容及主要技术路线本论文针对瓦屋山水电站引水隧洞的地形、地质条件，运用引水隧洞新奥法施工中围岩监测技术，研究隧洞围岩的时空变形规律及优化支护方案，优化工程处理措施。总体研究内容及思路为：(1)根据引水隧洞的地形、地质特性，运用围岩监测技术，揭示围岩变形的时空分布规律，以及可能出现的破坏部位和范围，研究隧洞开挖后的卸荷特征，为隧洞的支护和加固处理提供依据。(2)根据隧洞围岩的破坏发育情况，结合原位监测成果，分析评价各种支护方案的实际效果。(3)开展引水隧洞围岩声波测试，研究不同类别围岩的变形参数，为永久混凝土衬砌结构优化提供依据。(4)研究围岩变形模量对混凝土衬砌结构特性的影响，针对不同洞段围岩类别的变化进行相应的衬砌结构配筋优化。16 四川大学硕士学位论文2隧洞围岩稳定性及支护结构设计的基本理论2．1水工隧洞的围岩分类方法隧洞围岩(岩体)分类，是把对隧洞设计和隧洞施工有影响的岩体性质加以分级和给出定义，其不仅为隧洞断面设计、开挖方法、施工方式(D&B法，TBM法)、编制材料消耗量(D＆B法的炸药和钻头消耗量，TBM法的刀具消耗量)、预计施工效率(开挖进度或掘进速度)提供依据，而且也可以用于评价隧洞围岩的力学参数和稳定性。国内外有关隧洞围岩分类的方案很多。国外隧洞围岩分类主要有Bieniawski的岩体质量分级RMR(1973)、Barton的隧洞岩体质量指标Q(1974)、Do：l"e的岩石质量指标RQD(1964)、Wickham的岩石结构分级RSR(1972)、Tcrzaghi的岩石载荷分类(1946)、Stini针对岩体中构造缺陷的分类、Lauffer基于有效跨度的分类、Brckke&Howard针对不连续面充填物的分类等。这些分类体系中，由于RMR分类和Q分类包括的信息相当充足，足以对影响隧洞稳定性的各种因素做出切实的综合评价，而且考虑的各因素均有定量的评分标准，因此，在世界各国应用最为广泛。RMR分类在非洲、美洲应用较多，而Q分类在欧洲应用较为广泛，它们已成为隧洞的工程地质、岩土工程评价的重要组成部分．Q分类和RMR分类在深埋长隧洞修建较多的欧洲、美国也有很广的应用。如在阿尔卑斯山修建的Vcrcina长隧洞，对隧洞围岩进行了分类，按照分类为隧洞施工方法选择、围岩稳定性的评价、支护类型的选取等提供了依据，并使隧洞围岩分类成为地质人员、设计人员和施工人员共同交流、理解的“语言”。Q分类和RMR分类在长隧洞修建较多的日本得到了创造性的应用。日本在应用中又提出了用地震波或声波速度进行隧洞围岩分类，并广泛应用于各隧洞，取得了良好的效果，为新技术的应用(层析技术)、岩体分类指标的量化及单一化带来方便。国内的围岩分类方案也很多，不同行业之间一般都有自己的分类体系，如水利水电工程地质勘察规范的围岩分类、水工隧洞设计规范的围岩分类、铁路隧洞围岩分类、总参工程兵的坑道围岩分类、建设部岩土工程勘察规范的围岩分类等。个人方面有古德振的分类、王思敬的分类、陶振宇的分类、杨子文的分类等。这些分类对隧洞围岩分类的进步和发展都起到了很大的推动作用。根据国内外对隧洞围岩分类的应用情况，考虑到我国已经加入WTO，国内17 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论各行业的隧洞围岩分类体系将逐渐与国际接轨。考虑到隧洞工程的行业性，国内的隧洞围岩分类主要介绍水利水电工程地质勘察规范中的围岩分类，并适当介绍日本围岩分类(特别是有关波速的部分)。2．1．1国内围岩分类我国《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287．99)的附录P‘围岩工程地质分类”中考虑的因素主要有岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状等5大因素，而地应力主要反映在围岩强度应力比指标中。总体而言，SD分类基本包括了影响围岩稳定的各因素。SD分类中围岩类别的划分是以前述5个各单因素之和的总评分为基本判据，以围岩应力强度比为限定判据，共将围岩分为5大类，见表2．1。而各单因素的评分标准及取值分别见表2．2～2．6。表2．1水电围岩工程地质分类标准围岩围岩总评分围岩强度应力比围岩稳定性支护类型类别TS稳定．围岩可长期稳定，一般无不稳不支护或局部锚杆I100：：z_T>85S>4定块体．或喷薄层混凝土。大跨度时，喷混凝基本稳定．围岩整体稳定，不会产生S>4Ⅱ85羔T>65土，系统锚杆加钢塑性变形，局部可能产生掉块．(s<4降为Ⅲ类)筋网。局部稳定性差。围岩强度不足，局部喷混凝土、系统锚会产生塑性变形，不支护可能产生塌S>2杆加钢筋网．跨度Ⅲ65>T>45方或变形破坏．完整的较软岩，可能(s<2降为IV类)为20-25m时，并浇暂时稳定．筑混凝土村砌。不稳定．囝岩自稳时间很短，规模较S>lⅣ45>Jr>25喷混凝土、系统锚大的各种变形和破坏都可能发生．(s<1降为类V)杆加钢筋网，并浇极不稳定．围岩不能自稳，变形破坏VT婴5筑混凝土衬砌。严重。注；围岩强度应力比s：垦玉；岛．岩石饱和单轴抗压强度(蛐，a)；蜀．岩体完整性系数；"围岩最大仃”主应力(MPa)，无实捌资料时可用上覆岩体白重应力h代替；r=A+B+C+D+E．18 四川大学硕士学位论文硬质岩软质岩岩质类型坚硬岩中硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度风(MPa)100>_Rb>6060>_Rb>3030>盐b>1515>_．Rb>55>_Rb>0岩石强度评分A30M>2020>_A>10l佗A>5墅且邳A=0注：1．岩石饱和单轴抗压强度Rb>100MPa时，岩石强度评分A为30；2．当岩体完整程度与结构面状态评分之和<5时，岩石强度评分A大于20的，按20评分。表2．3水电围岩岩体完整程度评分岩体完整程度完整较完整完整性差较破碎破碎岩体完整性系数毛I．蜮>O．750．75>_K,>0．450，45>-．K，>0．250．2蹴>o．10五卸．10岩体完整硬质岩40>_B>303眨口>222钯8>1414>_B>6口曼6性评分口软质岩251母>19l眨日>1414≥口>9钯B>4日s4注：1．当60>_Rb>30MPa，岩体完整程度与结构面状态之和>65时，按65评分；2．当30>．．Rb>15MPa，岩体完整程度与结构面状态之和>55时，按55评分；3．当15>．．Rt,>5MPa，岩体完整程度与结构面状态之和>40时，按40评分；4．当R<拶MPa，属特软岩，岩体完整程度与结构面状态不参加评分．表2A水电围岩结构面状态评分张开度闭合稍张张开结w(mm)w<0．50．5J．0构充填物无充填岩屑泥质岩屑泥质面起伏光状起伏粗起伏平直起伏平直起伏平直起伏平直滑或平态糙状况粗糙光滑粗糙光滑粗糙光滑粗糙光滑直粗横直粗槌直粗糙结构面硬质岩27212421i521171215129126状态评较软岩272124211521171215129126分C软岩18141714814118108684注，1．结构面的延伸长度小于3m时，硬质岩、较软岩的结构面状态评分另加3分，软岩加2分；结构面延伸长度大于10m时，硬质岩、较软岩减3分，软岩减2分；2．当结构面张开度大于10mm，无充填时，结构面的状态评分为0．19 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论表2．5水电围岩地下水评分活动状卷渗水、滴水线状流水涌水q525或25<《125或2q>125或水量q(L／rain·10m洞长)或压力水头H(m)H曼1010<Ⅳ(100日>100100≥r>850O一．2．2一-6基本因素85≥丁’>65地下水O～2．2一-6．6～10评分r65>r>45评分D-2一．6．6～一lO．10--1445兰r>25．6一．10．10-一．14．14-．18r盟5．10～14．14一18．18～20注；基本因素评分r系前述岩石强度评分A，岩体完整性评分B和结构面状态评分c之和．表2．6水电围岩主要结构面产状评分结构面走向与90*-60,600一300<300洞轴线夹角结构面倾角>70070,,,-45‘15。一20c<200>70070。·45‘45。-20"<200>70010"-,45c}50一20c<甜结构面产洞顶0．2．5-10-2．5．10-12-5-10-12状评分应边墙．2-5．20．5．10-20．10-12．5O注：按岩体完整程度分级为完整性差、较破碎和破碎的围岩不进行主要结构面产状评分的修正．2．1．2日本隧洞围岩分类在日本，从20世纪60年代开始，探索用岩体纵波速度进行隧洞围岩分类，且除去短小隧洞、土层隧洞和市区内隧洞外，事前一般调查都要采用地震波法测试(层析法)。在积累了大量隧洞围岩的实际资料后，提出了利用岩体纵波速度对隧洞围岩进行分类(表2．7)。日本的围岩分类在利用地震波速度分类的基础上，引入了围岩准抗压强度Rk和准抗拉强度Rl概念，并提出按下式求得：＆=M．R(2．1) 四川大学硕士学位论文＆=时R协2，式中，RP隧洞围岩准抗压强度(MPa)；Rl-隧洞围岩准抗拉强度(MPa)tRe．完整岩石抗压强度(MPa)；Rt．完整岩石抗拉强度(MPa)tVp一岩体弹性波纵波速度(km／s)；V-v‘u整岩石弹性波纵波速(kin／s)。分类岩质备注l2345671．开挖面有漏水时，分类要降l级：A>505．04．44．¨．04．2—3．63．8-3．2<3．42．膨胀性岩石(蛇纹岩、变质安山B>4．84．80．24．4-3．84-O一3．4<3．6岩、石墨片岩、泥岩，膨胀性凝灰C>4．84．8--4．24．4—3．84．O一3．43．6—3．O<3．2岩、温泉余土)的弹性波速要特殊考虑，这种情况，其波速<4．Skm／s，D>4．24．2—3．63．8—3．23．4—2．83．0—2．4<2．6泊松比>o．3；B>2．62．6—2．02．2-I．6<1．8<1．43．对风化岩石泊橙比<03时，分类F1．8-1．21．4—18<1．0要提高1-2级。注：I．表中数值指弹性波纵波速度(km／s)t2．表中分类10系按围岩强度分类的大小顺序捧列．表2．8日本隧洞围岩分类中的岩质分类岩质岩石名称l，古生代和中生代岩石(粘板岩、砂岩，砾岩，燧石、石灰岩和灰绿泥灰岩等)；2．深层岩(花岗A岩、花岗闪长岩，闪长岩和辉长岩等)；3．半深层岩(石英斑岩，花岗斑岩、玢岩、辉绿岩和蛇纹岩等)；4．火山岩(玄武岩)；5．变质岩，结晶片岩、千枚岩、片麻岩和角页岩等。B1．剥离显著的变质岩；2．层理发达的古生代和中生代岩石。l_中生代的一部分(页岩、砂岩和辉绿凝灰岩等)；2．火山岩(ig纹岩、安山岩等)；C3老第三系的一部分(火山质凝灰岩、硅化页岩、砂岩和凝灰岩等)D老第三系～新第三系的岩石(泥岩、页岩、砂岩、砾岩、凝灰岩、角砾凝灰岩和凝灰熔岩等)E新第三系的地层和洪积层(泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩、凝灰岩和阶地、岩锥、火山喷出物等)F洪积层～冲积层(粘土、粉砂、砂、砂砾、火山灰、火山砂砾、扇形堆积物、崖锥和阶地等)21 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论表2．9日本隧洞围岩强度分类国岩准抗压围岩准抗拉围岩塑性分类岩质围岩质量描述强度(MPa)泊松比地层lACD坚硬岩，整体状>100>10<0．2无A呸硬岩，节理间距50--lOOcm0．14—250—l柏5—14无CD中硬岩．节理少0．26AB坚硬岩，节理多，破碎，有小断层中硬一软岩，有小断层。裂隙问距C0．舡有时330-70cm20一80扣8n333发生D中硬一软岩．节理少E软岩，整体状AB坚硬一中硬岩，破碎．节理多，风化C软岩．节理多，破碎．小断层多5—500．5—5n25—多数情况4D软岩．破碎，节理多，风化0．38发生E软岩。胶结差2—300．2—3AB坚硬一中硬岩，破碎，风化严重C软岩．破碎，小断层多．风化<20<2n32—多数情况5D软岩，破碎，风化严重0．44发生耶软岩，胶结差<8<1．2ABC坚硬一中硬岩，破碎，风化极其严重<5<0．9n38-多数情况6DE软岩，破碎．风化，胶结差<3<0．60．50发生F软岩，胶结差，风化<21／3，这就是圆形洞室不出现拉应力的条件。 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论根据弹性力学中的解答，可写出围岩位移式“=甜卅枷卅∽孑一种sz日一去㈣，㈣舌+斗0加舯拈癫’Z=3-49(2-26)式中：肛为径向位移，以洞内方向为正；u为切向位移，以反时针为正。在轴对称情况下，式(2-26)改为Ⅱ：堕2Grv=0(2．27)必须指出的是，上述公式与弹性力学解答稍有差异，这里没有考虑挖洞前围岩初始应力所产生的位移，即由应力表达式中与r无关的常数项所引起的位移，因为那一部分位移在挖洞前已经稳定，它与由开挖而引起的那一部分位移无关。(3)洞室掘进过程中开挖面附近的围岩应力洞室掘进过程中，由于开挖面的约束，使开挖面附近的围岩位移不能立即全部释放。因此，开挖面附近的围岩应力和变形将随着洞室纵轴方向变化．这种现象称为开挖面的“空间效应”或简称“开挖面效应”。开挖面附近的围岩应力属于三维应力问题。由于三维问题的复杂性，目前求解开挖面附近的应力和位移多数采用数值解法。应用较广泛的是采用有限元法及边界积分方程方法。计算开挖面附近的围岩位移和应力，通常可采用等效初始应力的方法，即认为释放的一部分初始应力引起洞壁位移和二次应力，未释放的一部分初始应力不引起洞壁位移和保留原有应力。释放的等效初始应力，可根据洞壁的位移确定。释放的等效初始应力为AP，A为释放荷载系数，由式(2-28)给出。．A=：}={A+c-一A，[-一唧[一詈]]}c2一zs， 四川大学硕士学位论文舯铲鼓式中：心为所求截面的洞壁径向位移；“自=弓f万ro为无支护时洞壁的径向总位移二U。(即在无开挖面效应处无支护情况下的洞壁位移)；A为开挖面上的释放荷载系数；L为所求截面与开挖面的距离；g可由数值计算得到，一般暑；O．7ro左；E。如果假定掘进速度以等速屹推进，则式(2—28)还可写成：A={A+o—A，[-一唧(一乏]]}c2一z9，式中：f为所求截面与开挖面的时距。瓦。瓦g当求开挖面附近洞壁位移及支护抗力时，只需将等效初始应力AP代以前述式中的P既可获得。而求开挖面附近围岩应力时，除需将AP代以式(2．30)P外，还需加上未释放的原岩应力(I-A)P引起的应力。q=三(1+A)+罢(1一A)cos20％=詈(1+兄)一善(1—2)cos20％=罢(1—2)sin2口(2-30)2．3．2岩体的破坏方式及强度准则岩石在长期的演变过程中，形成了各种各样复杂的软弱结构面(断层、夹层、节理、裂隙等)，破坏了岩体的连续性，改变了岩体的应力—应变状态。从工程观点出发，往往十分强调这些软弱面的影响，并且认为工程中的岩体稳定主要受软弱面的控制。对含有节理、裂隙等结构面的岩体，其破坏形式包含沿弱面定向破坏和岩石自身破坏两种形式，一般说来，弱面是控制因素。这些弱的结构面的存在，使岩体显示构造上的不连续性和不均质性，它的发育程度、规模大小、组合形式等是控制岩体稳定性的重要因素。特别是贯通性结构面，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面的控制。由于引水隧洞的开挖， 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论使洞室周围岩石失去了原有的平衡状态，其内部原有应力场将发生改变。洞室周围岩石新应力场中的应力将使洞室围岩产生破坏，产生破裂甚至冒落，或者断面产生很大的变形。岩体结构面的力学性质主要包括：①法向变形；②剪切变形；③抗剪强度[47栅l。2．3．2．1结构面法向变形在法向荷载的作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随荷载增大而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关系。这种非线性力学行为归结于接触微凸体弹性变形、压碎和间接拉裂隙的产生，以及新的接触点、接触面积的增加。当衙载去除时，将引起明显的后滞和非弹性效应。Goodman(1974)通过试验，得出法向应力％与结构闭合量6n有如下关系：孚=叮矗Jcz-s·，式中，{称为原体压力，由测量结构面法向变形的初始条件决定；Emax是最大可能闭合量；s，t是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数。根据Goodman(1974)的研究，法向变形刚度可由下式表达：E=‰【鼍学f泣s2，式中，K。是结构面的初始刚度。Bandis等人(1984)通过对大量的天然、不同风化程度和表面粗糙试的非充填结构面的试验研究，提出双曲线型法向应力on与法向变形6n的关系式。吒=—鼍F(2-33)式中，a,b是常数。显然，当法向应力‰一oo，a／b-=6max．从(2．33)式中可推导出法向刚度的表达式：E啬。丽1(2-s4，Bandis等人(1983)结合双曲线型加卸载曲线，将有效法向应力、结构闭合量和表面粗糙性联系一起，得出法向刚度的经验公式： 四川大学硕士学位论文耻吒【1。矗J协35)式中，Kno和8max。分别是结构面的初始法向刚度和最大闭合量，并由以下公式给出：K．=O．02LfJ％C$卜s脚。‰一咖c卜c曙)D弦s6，式中，JCS是结构面的抗压强度，JRC是结构面的粗糙性系数，6no是每次加载2．3．2．2结构面剪切变形在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。通常有两种基本形式：a)对非充填粗糙结构面，随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面搞剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值，有时也出现剪切硬化。通常将。弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪切刚度瞄：墨=百oq,-(2-37)oo,根据Goodman(1974)的研究，剪切刚度鼬可以由下式表示：K,---砷一丢】Q瑚，式中，K。是初始刚度，k是产生剪切位移时的剪应力渐近值，试验结果表明，对于较硬的结构面，剪切刚度一般是常数；对于松软结构面，剪切刚度随法向力的大小而改变。2．3．2．3结构面抗剪强度结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度。从结构面的变形分析可以看出， 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：z=c+o。tan庐(2-39)式中，G≯分别是结构面的粘结力和摩擦角，O。的作用是在结构面上的法向应力。其中，摩擦角可表示成妒=九。，九是岩石平坦表面基本摩擦角，i是结构面上凸台斜坡角。试验表明，低法向应力时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力时，凸台起伏形成的粗糙度及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。考虑到上述三个基本因素(法向力on、粗糙度JRC、结构面强度JCS)的影响，Barton和Choubey(1977)提出结构面的搞剪强度公式：仁吒胁卜文等H㈨∞式中，JCS典型剖面目测确定JRC值，也可以通过剪试验或简单倾斜拉滑试验得出的峰值剪切强度和基本摩擦角来反复算JRC值。肛c=—log尘(JC鱼Slo—t,,)‘2_41)⋯I_式中，以是峰值剪切角，办=arctan(z，o。)，或等于倾斜试验中岩块产生滑移时的倾角，为了克服目测确定结构面JRC值的主观性以及由试验反算确定JRC值的不便，近年来国内科学者提出应用分形几何方法描述结构面的粗糙程度。2．4隧洞衬砌(二次支护)计算方法[52删2．4．1一般规定隧洞衬砌应符合下列规定：保持围岩稳定；满足运行所要求的水力学条件；满足防渗要求；防止水流冲刷以及温度、湿度、大气等因素对围岩的破坏作用；满足环境保护要求。水工隧洞衬砌设计应充分发挥围岩的自承和承载能力，衬砌结构宜按围岩与衬砌联合承受作用设计。隧洞衬砌型式应综合考虑断面形状和尺寸、运行条件及内水压力、围岩条件(覆盖厚度、围岩分类、承担内水压力能力、地下水分布及连通情况、地质构造及影响程度)、防渗要求、支护效果、施工方法等因素，经过技术经济比较确定。 四川大学硕士学位论文2．4．2荷载和荷载组合作用在衬砌上的荷载，按其作用状况分为基本荷载和特殊荷载两类。基本荷载是长期或经常作用在衬砌上的荷载，它包括衬砌自重、围岩压力、预应力、设计条件下的内水压力(包括动水压力)以及稳定渗流情况下的地下水压力。特殊荷载是出现机遇较少的不经常作用在衬砌上的荷载，它包括地震作用、校核水位时的内水压力(包括动水压力)和相应的地下水压力、施工荷载、灌浆压力以及温度作用等。计算荷载应根据基本荷载和特殊荷载同时存在的可能性，分别组合为基本荷载组合和特殊荷载组合两类。在衬砌结构计算中应采用各自的最不利组合情况。围岩作用在衬砌上的荷载，应根据围岩条件、横断面形状和尺寸、旌工方法以及支护效果确定。围岩压力的计取应符合：自稳条件好，开挖后变形很快稳定的围岩，可不计围岩压力；薄层状及碎裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力可按下式计算：垂直方向吼=(o．2一o．3h，B(2--41)水平方向吼=(o．05一o．10h，H(2-42)式中吼——垂直均布围岩压力，kNIm2；吼——水平均布围岩压力，kNIm2；"，——岩体重度，kN／m3；卜隧洞开挖宽度，m；H_隧洞开挖高度，ra块状、中厚层至厚层状结构的围岩，可根据围岩中不稳定块体的作用力来确定围岩压力。具有流变或膨胀等特殊性质的围岩，可能对衬砌结构产生变形压力时，应对这种作用专门研究，并宣采取措施减少其对衬砌的不利作用。作用在混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土衬砌结构上的外水压力，按下式计算：p|=80wH。(2-43)式中以．作用在衬砌结构外表面的地下水压力，kNIm2；且．外水压力折减系数，可按表2．10确定；"。．水的重度，kN／m3，一般采用9．81kNIm3；也．地下水位线至隧洞中心的作用水头，ra，内水外渗时取内水压力。对设有排水设施的水工隧洞，可根据排水效果和排水设施的可靠性，对作用在衬砌结构上的外水压力作适当折减，其折减值可通过工程类比或渗流计算分析确定。 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论表2．10外水压力折减系数屈值级别地下水活动状态地下水对围岩稳定的影响卢。值l洞壁干燥或潮湿无影响0加．20风化结构面充填物质，地下水降低结构2沿结构面有渗水或滴水0．10加．40面的抗剪强度，对软弱岩体有软化作用沿裂隙或软弱结构面有大量泥化软弱面充填物质，地下水降低结构3O．25加．60滴水、线状流水或喷水面的抗剪强度，对中硬岩体有软化作用地下水冲刷结构面中充填物质，加速岩严重滴水，沿软弱结构面有体风化，对断层等软弱带软化泥化，并40．40加．舳小量涌水使其膨胀崩解，以及产生机械管涌；有渗透压力，能鼓开较薄的软弱层严重股状流水，断层等软弱地下水冲刷携带结构面充填物质，分离5岩体，有渗透压力，能鼓开一定厚度的0．65一1．00带有大量涌水断层等软弱带，能导致围岩塌方注：当有内水组合时，见应取较小值。无内水组合时，尾应取较大值a2．4．3圆形有压隧洞衬砌结构计算(弹性力学法)混凝土和钢筋混凝土衬砌厚度(不包括围岩超挖部分)，应根据强度、抗渗和构造要求等，结合施工方法分析确定。混凝土和钢筋混凝土衬砌，应根据需要提出混凝土的强度、抗渗、抗冻、抗磨和抗侵蚀等要求，其强度标号不应低于R150，采用28d龄期，经论证可采用后期强度。受内水压力控制的圆形有压隧洞混凝土衬砌，混凝土的抗拉安全系数按表2．11确定。表2．11混凝土的抗拉安全系数隧洞级别12、3荷载组合基本特殊基本特殊混凝土达到设计抗拉强度时的安全系数2．11．81．6以内水压为主要荷载，围岩为I、Ⅱ类的圆形有压隧洞，采用弹性力学解析方法计算。40 四川大学硕士学位论文2．4．3．1双层钢筋混凝土衬砌设计计算：l、可采用对称配筋。钢筋面积按下式计算，但不得小于最小配筋率：|严氏=式中ri-．隧洞衬砌内半径，m；时隧洞衬砌外半径，m；p一均匀内水压力，kPa．k旷围岩的单位弹性抗力系数，kN／m3；Er钢筋的弹性模量，kPa"【叫一钢筋的允许应力，k氏；f卜单位长度(m)内圈钢筋的断面面积，m?；知单位长度(m)外圈钢筋的断面面积，n12；mo系数2、内、外圈钢筋应力校核按下式进行：％2s阢】(2-45)≤阢】以上式中ogi一衬砌内圈的钢筋应力，kPa；o扩衬砌外圈的钢筋应力，kPa；K-钢筋混凝土结构强度安全系数；Eh_混凝土的弹性模量，kPa：Rg-钢筋受拉设计强度，kP．·2．4．3．2羊层钢筋混凝土衬砌设计计算：1、钢筋面积可按下式计算，但不得小于衬砌结构的最小配筋率：正2卣。r一+kom)一百ko(撕)2、钢筋应力校核按下式进行：％2雩羞≤阢】c撕s，“Es以卜式中符号意叟同前。41 2隧洞施工期围岩稳定性及支护结构设计的基本理论对于Ⅳ、V类围岩中的洞段可采用结构力学的方法计算。衬砌按结构力学方法计算时，围岩抗力的大小和分布，可根据实测变形数据、工程类比或理论公式分析确定。 四川大学硕士学位论文3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测3．1引水隧洞工程地质条件3．1．1基本地质条件工程区位于川滇径向构造带的二级构造带——凉山拗褶带的北端、北东向龙门山构造带的西南端。坝区位于炳灵向斜东翼，距向斜轴部约1．0Kin，岩层产状走向北100-200西，倾角400～500，未发现大的断裂存在。出露地层主要有侏罗系上统蓬莱镇组(J3P)、白垩系下统夹关组(Klj)、灌121下组(K191)和第四系(Q)松散堆积层。组成坝段岩体主要为白垩系下统夹关组(Klj)砂岩夹薄层粉砂质泥岩、泥岩及泥质粉砂岩，后者占8～10％。坝段岩层走向垂直河流，倾向上游，倾角400～500。河床漂卵砾石层厚3．64～6．96m，漂石最大粒径可达42Cm，孤块石最大粒径0．94m，缺少5～2．5mm粒径，具有架空，孔隙大的特点，渗透系数为550～714．88m／d，属极强透水层。引水隧洞线路区属中山区，地形起伏大，地面高程960～1513m，最大商差550m，出露基岩主要为侏罗系上统蓬莱镇组(J3P)、白垩系下统夹关组(mj)与灌口下组(K191)地层。引水隧洞线路从进口至出口穿越地层分别为白垩系下统灌口下组(K191)、夹关组(Klj)与侏罗系上统蓬菜镇组(J3p)。第四系松散堆积层主要分布于斜坡和冲沟地带，厚0～25m。引水隧洞线路位于炳灵向斜东翼，与向斜轴走向夹角3～200，洞线后段穿过向斜翘起端。岩层产状变化较大，由进口至出口，其走向由N15。W～近Ew～N150E，倾向sw～sE么43～280。据平面测绘、槽探、钻探查明，在出口段分布有f1断层，断层产状NlO～15。啪么50～700，破碎带厚约1．5～3．0m。岩体中裂隙较发育，除层面裂隙外，还发育有三组陡倾角裂隙，其产状在不同部位有所差异。主要有以下三组：(1)N5～100聃E么75～850；(2)N65750F_／NW么70～800；(3)N20～300、7lⅣNE或SWZ70～800。单组裂隙间距0．5～2．5m，延伸长度一般5～lOm。岩体强弱风化带厚度分别为7～16m与20～50m。地下水赋存于基岩风化带及砂岩裂隙中，夹关组砂岩地下水较丰，以裂隙潜水和裂隙承压水为主。受大气降水补给，排泄于沟谷，泉点流量O．1～O．2I．／s。引 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测水隧洞线路基本地质条件见表3．I。长度(m)4726．8洞轴线方向N8029’BN450537W-N22。46’EN15—200W／SW么43—35。～N20—85。W7SW么35。～岩层产状N15。E，SE么33～280地面高程(m)lOlO～1520隧洞埋深(m)一般200～300m，最大520m进、出口风化深度(m)强风化7～16m，弱风化20～50m地层代号K值IKdJ3p三倍洞径分布桩号0+000—D+230O+2300+5603+5604906．8围岩组成长度(m)’23033301166．8地层％4．970．424．7岩性特征岩性特征与枢纽区相同出口段fl断层与洞线斜切，构造裂隙主要有三组，中等发育，地质构造普遍分布有层间错动带及泥化夹层，其中以尉层内较发育。水文地质条件高程990m以上为中等～较严重透水，以下为微透水。3．1．2引水隧洞围岩分类及建议数据采用水利水电工程隧洞围岩分类方法对隧洞进行详细围岩分类(见表3．2)；其参数的选择主要根据引水线路平硐、钻孔、岩体声波测试资料及地下水活动情况并结合洞室埋深等因素综合确定的。引水隧洞围岩分类及建议力学参数见表3．2。· 四川大学硕士学位论文评分围岩围岩体主要强度稳定岩起止主要工程岩体结构围岩支护结构岩石地下结构应力性评类柱号地质条件完整面总评类型类别强度水．面产比价别程度状态分状(S)层巨厚层～中厚层状一砂岩，部分薄层局部喷砼，Oe300～砂岩夹泥质岩及25～22～-2～-5～65～2．7～稳系统锚Ⅲ次块3《60软弱夹层；裂隙202220．6．1046蜀定性杆加钢状结多闭合或方解石差筋网．构充填．层中厚层泥质粉砂次～岩夹薄层粉砂质0+140-"．"15～18～17～-2～48～2A～簿层泥岩；裂隙多闭0+300lO1413．10273．7状结合或充填石膏构层。不稳Ⅳ中厚层粉砂质泥层定3+560～岩与泥质粉砂岩次～4+500夹薄层砂岩及泥12～18～17～-2～45～2．4～薄层喷砼，4+561卜灰岩；裂隙多闭101413．10272．8状结系统锚舢j2矾合或充填石膏细构杆加钢脉．筋网，层状中厚层泥质粉砂并浇筑碎裂岩夹薄层粉砂质砼衬结构0-k000～泥岩及泥化夹和lO～510"．-812叫26～8砌．部分O+140层，多为风化及一14敏体卸荷岩体，裂隙极不V结构张开充填夹泥。稳定断层破碎带及影碎响带岩体，由断裂～4+5卅-2～层破碎岩、角砾8—v48～5l伊～824～7数体4+560岩，断层泥及碎-10结构裂岩体组成。 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测表3．3引水隧洞围岩分类及建议力学参数抗剪断强度单位弹性围岩密度变形模量泊桑比坚固．C’Eo系数抗力系数f，‰分类(g／eras)(^怔"a)(GPa)(11)&(MPa／cm)HI2．4～2．51．O～1．20．9～1．32．5～5O．23～0．293～420～加Ⅳ2．3～2A0．5～0．7O．05～0．10．5～1．00．29～0．352～36～15V2．2～2．3．cO．5<0．OS0．1～O．5O．35～0．40‘2<63．1．3引水隧洞工程地质条件根据洞线工程地质条件的差异分四段叙述。第一段：桩号O+000一-0+300，长300m，地面高程1021～1150m，进口地面坡角25～30。，洞室埋深0～135m，围岩主要为Klgl层泥质粉砂岩与粉砂质泥岩，岩层产状N15～200W，sw么43～350，岩层走向与洞轴线交角23～280。据瓦PDl2平硐及瓦ZKl0钻孔揭示，该段Klgl层中发育有泥化夹层两条，厚0．0l～O．04m，层间剪切错动带两条，厚分别为0．2～0．3m与1．0～1．2m。岩体强、弱风化带厚分别为8～15m与15～25m，卸荷带水平深度69．0m，其中卸荷松弛带水平深度33．0m。构造裂隙主要发育下列两组：(1)N5～100剧sE么3l。600，(2)N80～870W／NEL85。，裂隙频率0．5～1．8条，m。属较发育。钻孔压水试验，三倍洞径围岩q值为2．9～403Lu，属微～严重透水。平硐揭示，该段地下水活动轻微，一般呈点滴状或浸润状出露，进口局部呈线状流水．综上所述，进口桩号0+000～0+060段围岩为风化岩体且上覆厚度小，建议明挖，并对洞脸及其以上边坡进行削坡衬护以及锚固处理。建议开挖坡比1：0．75～l：l。洞身围岩主要为新鲜泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，属较软岩、软岩，围岩分类以Ⅳ类为主，进口段风化岩体为V类，应及时采取衬护处理措施。桩号O+100．66～O+110．00段设置闸门井，闸门井为园形直井，井径9m。该处地面高程为1065～1070m。组成闸门井围岩为日酉层粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩。高程1052m以上段闸门井围岩为弱风化粉砂质泥岩，高程1025m～1052m段闸门井围岩为弱风化粉砂质泥岩，高程1025m以下闸门井围岩为新鲜泥质粉 四川大学硕士学位论文砂岩，其允许承载力可满足设计要求。在高程1025m、1042m分布有泥化夹层各一条，由于岩层产状为N15～200W／SWZ35～450，岩层倾向坡外，因此，软弱夹层对闸门井内侧井壁稳定不利。根据上述条件，闸门井在高程1052m以上段围岩分类为v类，在高程1025m以上至1052m段围岩分类为Ⅳ类，岩体中软弱夹层密集段为V类，高程1025m以下为Ⅲ类。施工中对Ⅲ类围岩应采取喷锚支护，Ⅳ、V类围岩井壁应及时采取护壁措施，特别对内侧壁应进行超前固结与锚固，对软弱夹层分布段，应加强支护。第二段：桩号O+300～2+500，长2200m，地面高程1120～1420m，洞室埋深100～410m。围岩均为新鲜的l(1j层中至厚层状砂岩夹粉砂质泥岩及泥岩，层中发育有剪切错动带、软岩夹层及泥化夹层。裂隙中等发育，以N15～30Wtr及N60～800E两组为主。综上所述，本段洞身围岩主要为中至厚层砂岩，岩质坚硬，轴线与岩层走向交角20～300，成洞条件较好。但岩体中存在软弱夹层，在构造裂隙切割及地下水作用下，局部会产生塑性变形。围岩分类为Ⅲ类，其中在软岩发育呈互层分布段为Ⅳ类，约占10～12％。第三段：桩号2+500～3+560，长1060m，地面高程1390～1480m，洞室埋深380～500m．本段与向斜翘起端斜切，岩层走向与洞轴线交角较小，部份顺层通过。虽然本段的地层岩性，裂隙发育条件以及水文地质条件与第二段基本相同，但成洞条件比第二段稍差。围岩分类以Ⅲ类为主，其中硬岩与软岩互层段为Ⅳ类。第四段：桩号3+560～4+726．8，长1166．8m。地面高程1100～1510m，洞室埋深105～510m。洞身围岩主要为J3p层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹砂岩及薄层泥灰岩，岩体新鲜，但岩性软弱，为较软岩，层状结构。岩层产状：N850W／SW么35～N150E／SE么35～28。，与洞轴线交角桩号4+626．8以前为40～600，以后7。46’。岩体中发育三组裂隙，(1)N20～25。W／NE或SWL50～700：(2)N65～760E／NWZ72～800；(3)N83。w／NE么700，裂隙间距0．5～2m，延伸长度小于10in。桩号4+530附近洞顶fl断层与隧洞斜切，破碎带真厚度约1．5～3．0m，由断层破碎岩、角砾岩及断层泥组成，断层面产状：N5～100W／NEZ50～700。瓦ZK25孔揭示，J3p层中分布有三层层问剪切错动带，两层泥化夹层，三倍洞径钻孔压水试验q值为6．7～5．ILu，属微透水层。 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测综上所述，洞身围岩为层状结构，较软岩，岩石新鲜，裂隙不甚发育，地下水活动轻微，围岩分类以Ⅳ类为主，桩号4+500～4+560段隧洞通过断层破碎带及影响带，围岩分类为v类。3．2引水隧洞施工监测方案3．2．I施工监测方案设计钻爆法掘进大多采用新奥法施工。新奥法施工隧洞是以充分维护和利用围岩白承能力为基本出发点，尽量采用以喷锚为主的柔性支护体系，使围岩与支护形成共同承载的结构体系。收敛观测是采用仪器量测隧洞开挖后围岩表面若干点相对位置的变化，其目的在于及时掌握围岩的变形动态，监测施工过程中隧洞的安全程度，它是检验围岩是否稳定和支护是否合理的重要手段之一。收敛观测一般为周边收敛量测和拱顶下沉量测，是观测隧洞开挖后围岩和支护的综合影响因素最为直观的反映，是监控量测的主要内容，在隧洞掘进中被列为必测项目。隧洞收敛观测是通过大量实测数据对围岩稳定性及支护效果进行分析评价，以指导施工和保障施工的安全，尤其是在隧洞的主体段，由于岩体中节理、裂隙、断层等都比较发育，对隧洞的施工影响很大，是收敛观测的重点地段。瓦屋山引水隧洞主洞长4765．322m，断面为圆形，内径6．2m，衬砌厚度40～80cm。据地勘资料，洞周围岩包括：Ⅲ类围岩长3260m，桩号0+239．97～3+499．97，以巨厚层～中厚层，部分薄层砂岩夹泥质岩类及软弱夹层。Ⅳ类围岩1425m，桩号0+079．97～0+239．97、34499．97～4“39．97、4+499．97～4+825．292，中厚层泥质粉砂岩或中厚层粉砂质泥岩、夹薄层粉砂质泥岩或泥质粉砂岩；V类围岩长140m，桩号0+000～0+079．97；44439．97～4+499．97，风化及卸荷的中厚层泥质粉砂岩、夹薄层粉砂质泥岩或者为断层破碎带及影响带岩体。Ⅲ、Ⅳ类围岩中尚局部存在V类围岩。3．2．1．1引水隧洞I．Ⅲ、IV类围岩监测断面和测点布置本工程引水隧洞主洞段大部分为Ⅲ、Ⅳ类围岩，围岩完整性总体较好，局部裂隙发育。施工均采用全断面开挖，初期采用喷混凝土、挂网、锚杆支护，较软弱围岩段还采用了钢拱架支护，开挖与混凝土衬砌浇筑之间的间隔时间较 四川大学硕士学位论文长，围岩变形量较大。该洞段施工监测布置主要满足围岩参数反馈分析计算要求，同时加强洞周变形监测也可为控制围岩整体变形提供实测依据。结合工程地质和旖工条件，确定施工监测方案以洞周收敛和锚杆应力监测为主。具体布置如下：(1)洞周收敛监测在Ⅲ、Ⅳ类围岩洞段选择12个收敛监测断面，每个断面布置5个测点。在开挖近掌子面的设计断面上埋设测点。人工逐一观测和分析。(2)锚杆应力监测在上述Ⅲ、Ⅳ类围岩洞段收敛监测断面同步布置5个锚杆应力监测断面，每个断面布置34个测点，需弦式锚杆应力计18支。锚杆应力计采用钻孔法，与收敛监测点同期埋设，用读数仪测采集数据。(3)钢拱架变形监测钢拱架变形监测主要布置在岩层破碎、总体完整性较差的围岩地段，共设计5个监测断面，每个断面布置5个测点。人工逐一观测和分析．(4)拱顶沉降变形监测拱顶沉降监测与洞周收敛是同时进行的，在一个基本断面进行。共设计6个监测断面进行监测分析．2．V类围岩监测断面和测点布置本工程引水隧洞主洞段的V类围岩，多为断层、破碎带，且裂隙和地下水较发育。施工应尽量采用分部开挖法，以保证施工期安全。开挖后初期尚需及时采用钢拱架和钢筋混凝土等具有一定刚度的临时支护。该洞段施工监测应在上述临时支护实施和排水的基础上进行，监测成果主要满足围岩参数反馈分析计算要求，也可为施工期支护结构安全分析提供实测依据。结合工程地质和施工条件，确定施工监测方案以洞周收敛监测为主。具体布置如下：(1)洞周收敛监测在V类围岩洞段选择2个收敛监测断面，每个断面布置5个测点。在开挖近掌子面的设计断面上埋设测点。人工逐一观测和分析。 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测3．3引水隧洞围岩变形时空分布规律3．3．1收敛监测分析3．3．1．1施工监测的目的引水隧洞工程施工监测的预期目标为：(1)通过施工过程中的现场监测及信息反馈分析，着重研究引水隧洞围岩变形的时空变化规律。(2)结合前期的监测资料分析，明确不同典型洞段洞周围岩变形发展的关键部位，为下一步施工支护参数的选择提供实测依据。(3)根据施工期监测结果的数据分析，为下阶段围岩参数反演分析服务。3．3．1．2引水隧洞监测项目与实施本工程引水隧洞主洞段大部分采用全断面开挖施工，初期采用喷混凝土、挂网、锚杆支护，软弱围岩段还采用了钢拱架和混凝土衬砌，开挖与混凝土衬砌浇筑之间的间隔时间较长，围岩变形量较大。隧洞围岩监测方案设计，包括监测项目的确定、监测断面测点的位置、仪器设备的选择以及元件的埋设方法等主要考虑了以下因素：(1)隧洞的形状、尺寸、工程结构和支护特点；(2)地应力的大小和方向；(3)工程地质条件；(4)施工工序和工程进度；(5)在尽量减小施工干扰的情况下，要能够监控住整个工程的主要部位的位移。基于以上考虑和原则，同时结合设计单位的隧洞监测的建议资料，确定施工监测方案以洞周收敛监测为主，配合锚杆应力监测和局部洞周袁层松驰区范围监测等内容，后期辅以结合永久监测进行衬砌钢筋应力监测。本工程采取的监测项目见表3A，施工监测项目的总布置图见图3．1。 四川大学硕士学位论文序号项目名称布置断面测读频率K0+868．7。KI+090．KI+794．6，K2+286．5。K2+1．10dl～2次，dl洞周收敛500。K3+174．7，K3+441。K3+516．4．K3+784．6。10-30d2～3次，周K3+964。lH+131，K“502．6K1+150，K1+477．7，K2+498，K3+442，2围岩应力1次，dK3+960Kl+478．7，Kl+532，Kl+614。K2+694，3钢拱架变形1．20dl～2次，dK2+733K1+090，K1+794,K2+500．K3+174．K3+784。1．10dl～2次，d4拱顶沉降10佴131lm30d2～3次，周5l 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测图3．1施工监测项目的总布置图3．3．1．3监测资料分析(1)洞周收敛洞周收敛的作用是监控围岩的稳定性，保证施工安全并为二次衬砌的构造、实施时间等提供依据，进行位移反分析为修改设计参数、优化结构和施工工艺提供依据，这项测试是最有效的监测手段。洞周收敛监测测值的计算，用各测线两端点距离的测值(收敛计读数加上温度修正值)扣除相应的基准值后，得到洞壁上两测点沿测线方向的相对变形， 四川大学硕士学位论文本次隧洞收敛监测断面测点、测线布置如图3．2所示。用总位移量表达的围岩稳定准则，以围岩或支护内表面的相对位移值表示。国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)以隧洞周边允许位移相对值，作为隧洞围岩稳定的判定标准，隧洞周边允许位移相对值见表3．5。洞周收敛共布置了12个收敛监测断面，各个断面洞周每条测线的的最大收敛量(ram)和洞周相对收敛量综合于表3．6，可见相对收敛变形量均在规范允许范围之内。表3．5隧洞周边允许位移相对值埋深(位移相对值％)围岩级别<50m50～300m>300mIH0．10．m．300．20加．500．4一1．20Ⅳ0．15-0．500．40k1．20O．80—2．00V0．20-0．80O．60一1．601．00—3．00注；塑性围岩取较大值；脆性围岩取较小值图3．2隧洞收敛监测断面测点、测线布置图 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监铡表3．6各断面洞周每条测线的最大收敛和洞周相对收敛量监测洞周每条测线的最大收敛量(nun)洞周相对收敛量(q"ol围岩断面L1．3Ll_4Ll，5L2，3L2．4L2-5L34L3—5最小值最大值类跫K0+868．71．91．11．82．51．73．8O．51．20．01O．06mKl+0902．45．6102．15．67．14．36．0O．05O．12HIK1+794．63．512．617．62．214．620．220．522．50．050．50VK2+286．50．51．13．31．83．93．64．8O．010．07VK2+5001．70．21．22．52．63．72．93．60．000．06Vl(3+174．738．54．93．433．93．72．427．632．90．040．79ⅣK3+44l1．O1．61．1O．31．OL20．5O．50．01O．02ⅣK3+516．42．o4．13．71142．21．41．2O舵O．06ⅣK3+784．63．33．54．53．14．45．45．t4．80．050．13ⅣK3+9644．211．914．92．99．36．82．94．10．080．22ⅣK4+1312．93．92．72．O2．92．33．34．2O．030．08ⅣK4+502．6O．41．1l_3O．21．10．50．7O．70．00O．02Ⅳ分析引水隧洞的12个监测断面，收敛时程变化曲线可以分为两类：①衰减形。由于围岩开挖的空间效应和时间效应，随着时间的增加和测点距离掌子面的距离越来越远，一般情况下围岩的变形速率越来越小，以指数衰减的形式变化，直至最终趋于零，这种曲线表明围岩是趋于稳定的。图3．3是K0+868．7断面收敛时程曲线，该断面所处为Ⅲ类围岩，由图可知：由于该断面的围岩条件较好，各条测线收敛测值较小，除个别因施工爆破等影响的突变点外，洞周最大收敛测值为0．06％。收敛位移随着时间增长逐渐趋向于零，围岩变位的收敛速度较快，一般在20天左右时达到稳定。图3．4是Kl+090断面收敛时程曲线，该断面所处为Ⅲ类围岩，由图可知：水平测线L1．5、L2-5的收敛位移较大，说明该段围岩受水平地应力作用较大，围岩随着隧洞开挖变形逐渐趋向于稳定，当掌子面推进到距离监测断面60m时，位移基本收敛，不再发生变化，洞周最大收敛测值为0．12％。图3．5是K1+794．6断面收敛时程曲线，该断面所处为V类围岩，由图可知：该断面测线经过3个月的蠕变后才趋于收敛，这与该段围岩较差有较大关系， 四川大学硕士学位论文该段为泥质砾岩，且地下水极为丰富，强度较低，变形较大。发展到较大的变形也与该段隧洞的支护方式有关，一次支护采用挂网喷锚，喷混凝土，2—3m一个循环，该段围岩其后出现混凝土剥落、掉块，及时进行了钢筋拱架挂板混凝土二次支护，围岩变形才趋于稳定，洞周最大收敛测值为0．50*／0。K2+286．5和K2+500相邻两个断面所处为V围岩，该段隧洞地质条件较差，图3．6是K2+286．5断面收敛时程曲线，图3．7是K2+250断面收敛时程曲线，由图可知：两个断面斜向测线L2-5、1．3-5收敛值变化较快，总体呈现围岩向隧洞内变形，结合K2+500断面的拱顶沉降图，见图3．45，该段围岩主要为两边侧墙的水平向变形。围岩变形量较小，洞周最大收敛测值K2+286．5为0．07％和K2+500为0．06％。收敛位移随着时间增长逐渐趋向于零，围岩变位的收敛速度较快，一般在20天左右时达到稳定。图3．9是K3+441断面收敛时程曲线，该断面所处为Ⅳ类围岩，图3．14是K4+502．6断面收敛时程曲线，该断面所处为Ⅳ类围岩，由图可知：这两处断面整体变形较小，均为～些较小的波动，忽略如监测过程中仪器本身、仪器埋设和仪器使用造成的不良影响，围岩可以考虑为处于稳定状态，洞周最大收敛测值l【3榭1为0．02％和K4+502．6为0．02％。K3+516．4、K3+784．6和K“131相邻三个断面所处为Ⅳ类围岩，图3．10是K3+516．4断面收敛时程曲线，图3．10是l(3+784．6断面收敛时程曲线，图3．12是K“131断面收敛时程曲线，由图可知：K3+516．4、K3+784．6两个断面水平测线LI-5、L2-4收敛测值较大，K4+131断面的测线1．3-5测值较大，隧洞围岩变形总体呈现洞内变形，结合K3+784断面的拱顶沉降与施工进尺时程曲线图，见图3．47，结合K“131断面的拱顶沉降与施工进尺时程曲线图，见图3．48，围岩变形主要表现为时间效应下的围岩蠕变，同时拱顶略有下沉。围岩变形量较小，洞周最大收敛测值K3+516．4为0．06％和K3+784．6为O．13％和K4+131为0．08％。收敛位移随着时问增长逐渐趋向于0，围岩变位的收敛速度较快，一般在20天左右时达到稳定。②直线形。这种情况下围岩的变形速率基本不变或很少衰减，随着时间的增加和距离掌子面的距离增加，围岩越来越松散，变形量越来越大，如果没有及时加强支护，隧洞最后可能发展为破坏性变形。图3．8是K3+174．7断面收敛时程曲线，该断面所处为Ⅳ类围岩，主要由侏 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测罗系蓬莱组泥灰岩与泥质粉砂岩组成，拱顶为泥灰岩，厚层状厚约1．1m，其上发育一条泥化夹层，泥化夹层以上为薄层泥灰岩，总厚度较大，对洞顶稳定不利。整个掌子面以泥质粉砂岩为主，其中部发育一条层间错动带，厚约30cm。由收敛时程曲线图可知：该断面测线L1．3、L2—3、L3．4、U．5测值呈直线型增加，结合K3+174断面的拱顶沉降与施工进尺时程曲线图，见图3．46，隧洞拱顶沉降较大，符合该段隧洞的地质条件产生的形变，随着时间的增加，变形量越来越大，及时通过对该段隧洞拱顶进行喷锚支护，隧洞整体采用钢拱架和挂板混凝土支护，以使拱顶松动区的裂隙得以联结，．增加岩体强度，避免塌方事故的发生，洞周最大收敛测值为0．79％。图3．12是K3+964断面收敛时程曲线，该断面所处为Ⅳ类围岩，由收敛时程曲线图可知：该断面测线Ll一5、Ll_4、L2．4水平向收敛测值较大，隧洞两边侧墙向洞内快速变形，及时通过对该段隧洞采用钢筋拱架支护，围岩应力经过重新分布后逐渐趋于稳定，洞周最大收敛测值为0．22％。(2)应力监测引水隧洞应力监测共布置了5个监测断面，每个断面布置3～4支锚杆应力计，共19支锚杆应力计，仪器布置图见图3．16。{：跨}窗—券}锚杆应力计—辛，_锚杆应力计图3．16隧洞应力监测断面测点布置图{：簿匐分酋渲锚杆应力计埋设于基岩内，仪器读数受施工温度应力的影响较小。以锚杆应力计埋设安装就位时的初始应力为基准，随着锚杆安装完成，隧洞掘进开挖，用实测应力值与基准值的差值来反映锚杆应力变化的，从而可得到锚杆受力时程变化曲线。 四川大学硕士学位论文l、锚杆应力计算公式：只=置(r一∥)+Ar3．¨F=只氐r3．2、式中只：x时刻被测物体的应力(MPa)；K：传感器系数，由厂家提供(MPa／l-lz2)；fo：仪器安装埋设后确定的基准频率值(Hz)；fx：X时刻的实时观测频率值(Hz)；A：修正系数，由厂家提供。2、隧洞围岩应力的监测和隧洞收敛监测同时进行，在收敛监测断面Im间隔的洞壁上面埋设如图3．16所示的锚杆应力计监测围岩应力变化。锚杆应力计时程变化曲线见图3．15，图3．17～图3．2l，从19支锚杆应力测值变化过程来看，引水隧洞锚杆的受力状态可分为温度应力为主型和变形应力为主型两类。①温度应力为主型锚杆的应力测值始终在较小的范围内滞后于温度变化，因此可以认为该处的岩体基本稳定或者岩体变形未能在锚杆应力计上反映出来。②变形应力型为主的锚杆处测值则是沿某一趋势持续增加(受拉)或持续减小(受压)，这说明锚杆处会体可能受岩体开挖等因素影响存在失稳的可能。在温度应力型为主型的锚杆中，应力状态可受拉、受压和拉压交替3种状态；在变形应力为主型锚杆中应力状态主要表现为受拉状态。锚杆应力计施工期受力状态情况见表3．7，引水隧洞5个断面的19支锚杆应力计时程变化曲线见图3．15，图3．17～图3．21。表3．7引水隧洞施工期监测锚杆受力状态表锚杆受力类型状态典型断面锚杆根数受拉图3．15(KI+150)5温度应力为主型受压图3．19(K2+498)1拉压交错图3．15(KI+150)l变形应力为主型受拉图3．20(K3+442)12从表3．7可以看出，引水隧洞施工期监测锚杆受力变形应力型为主63％，而且均呈现受拉状态，从而说明施工期隧洞围岩的不稳定性，应该及时了解隧 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测洞围岩变形和稳定情况，确保引水隧洞施工的顺利进行。图3．15(KI+150断面)的锚杆应力计测值均随温度进行变化，这说明锚杆所处部位岩体较为完整，岩体变形较小，锚杆以温度变化为主，但由于锚杆应力计埋设时回填灌浆的密实程度不同造成水泥砂浆与岩体的握裹力不同和不同部位围岩的分布不同，锚杆应力计测值呈现不同的变形规律，同时由于因施工期监测时间较短，不能进行长时间观测得出围岩温度变化与锚杆应力计应力测值之间的关系，KI+150断面F2锚杆应力计与温度变化相关曲线见图17。图3．19(K2+498断面)的锚杆应力计F3和F4测值在埋设初期快速增加，随着隧洞二次支护测值增加逐渐趋于平缓，最大测值超过300MPa，这说明隧洞边墙处岩体存在结构面、裂隙或不稳定块体，且锚杆穿过结构面层，结构面层较浅。图3．18(Kl+477．7断面)、图3．20(K3+442断面)和图3．21(K3+965断面)锚杆应力计测值应力较小，呈持续受拉增加状态，分析其原因有：锚杆所处部位岩体较为完整，不存在结构面或裂隙不稳定块体；锚杆的长度不够，尽管向隧洞内临空发生变形，但锚杆处于较为完整的块体中；锚杆砂浆强度不够或灌浆未灌满，砂浆的握裹力较小，锚杆没有很好地与岩体固结，导致锚杆应力计测值变化较小，这些都是围岩应力监测的不利因素，应该配合隧洞围岩的收敛监测联合分析围岩的变形稳定状态。(3)钢拱架变形引水隧洞的钢拱架变形监测为钢拱架的收敛变形监测，钢拱架的收敛变形测点如图3．22所示，钢拱架变形监测断面布置在岩层破碎、总体上完整性较差的围岩地段，在KI+300一KI+660、K2+680一K3+000段隧洞中大量使用钢筋拱架和型钢拱架进行围岩支护．本次计算采用测线联合测点，同时假定靠周公河侧的测点5为坐标0点，并假设测点5不发生形变，采用在三角形中边和角的关系求得测点l、测点2、测点3和测点4相对于测点5的变形关系。在KI+300一KI+660、K2+680一K3-t000段隧洞开挖中共设置了5个钢拱架变形监测断面，变形监测断面的测点相对位移变化关系见图3．23一图3．42，引水隧洞钢拱架变形共分为2种类型：收敛型和直线型。其中直线型表示钢筋拱架或型钢拱架受力过大，隧洞围岩变形较大，围岩强度低，同时伴有不同程度的塌方。引水隧洞钢拱架变形分类及断面见表3．8。 四川大学硕士学位论文图3．22引水隧洞钢拱架变形监测断面测点、测线布置示意图表3．8引水隧洞钢拱架变形分类表变形类型断面桩号收敛时间(d)围岩类别图3．23～图3．27(KI+478．7)10Ⅳ●收敛型图3．27～图3．30(KI+532)10Ⅳ图3．3l～图3．34(KI+614)10V图3．35～图3．38(K2+694)V直线型图3．39～图3．42(K2+733)VKl+478．7、Kl+532和KI+614监测断面因型钢拱架刚度大，实测变形在10天内趋于收敛，相应掌子面向前推进了约30m。监测断面的拱架的变形规律说明，型钢支护的钢拱架的收敛变形稳定时间较快，结合掌子面进尺情况分析，该断面型钢拱架的收敛变形基本为隧洞开挖后的空间效应产生，时间效应所占比重较小，表明该断面的型钢拱架刚度足够。K2+694监测断面的测点设置于钢筋拱架上，该监测断面的拱架变形数值较大，说明钢筋拱架的支护力不足限制围岩的继续变形。为了强化支护对围岩的加固作用，建议使用如下措施进行开挖后支护取得了良好效果：①适当缩短及时跟进支护滞后时间；②适当减小钢拱架间距；③增加洞周围岩锚杆的埋设深度，适当减小锚杆间距；④采用钢筋焊接加强各排钢筋拱架之间的侧向联系；⑤用型钢拱架替代钢筋拱架支护。 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测K2+733监测断面的测点设置于型钢拱架上，该监测断面的拱架变形数值很快，且变形值较大，很容易酿成塌方等严重事故。为了强化支护对围岩的加固作用，建议使用如下措施进行开挖后支护取得了良好效果：①适当缩短及时跟进支护滞后时间；②使用并排型钢拱架全断面支护；③及时浇筑挂板混凝土、二次衬砌及时跟上；④增加洞周围岩锚杆的埋设深度，适当减小锚杆间距．(4)拱顶沉降引水隧洞的拱项沉降监测与周边收敛是同时进行，在一个基本断面进行。引水隧洞共进行了6个断面的拱顶沉降监测，拱顶沉降的基本数据见下表3．9引水隧洞的拱顶沉降监测基本数据表，拱顶沉降和隧洞的开挖进尺相关曲线见图3．43。图3．48所示。表3．9引水隧洞拱顶沉降监测基本数据表拱项沉降收敛时序号断面标号距离掌子面距离(m)需要时间(d)拱顶沉降比例l图3．43(KI+090)652089％2图3．44(KI+794)503586％3图3．45(K2+500)502063％4图3．46(K3+174)未收敛5图3．47(K3+TS4)1374580％6图3．48(K4+131)492594％从引水隧洞各个监测断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线附图中可以看出，K3+174断面拱顶沉降较大为．50mm，结合该断面的收敛监测分析，符合该断面的不稳定围岩地质状况。结合收敛观测及时进行了钢筋拱架挂板混凝土二次支护，围岩变形才趋于稳定，避免了事故的发生。其余测点的位移较小，这与所处的围岩状况和支护时间、强度有较大关系，从表3．9中可以看出对于大多数围岩在开挖后25d内沉降较快，沉降位移达到总沉降量的80％以上，此后沉降逐渐趋于平稳，大约在40d内基本稳定，说明围岩已经趋于稳定。KI+090、KI+794、K2+500、K3+784和K4+131测点的拱顶沉降和由隧洞收敛监测值推算出的拱顶沉降位移基本一致，这说明隧洞周边收敛和拱顶沉降监测是可信的。通过监测数据分析，在隧洞掘进过程中，围岩变形主要取决于开挖面的推进和时间的推移。60 婴坐查兰堕圭兰垡笙壅图3．3K0+868．7断面隧洞收敛时程曲线图3．4K1+090断面隧洞收敛时程曲线61 3瓦屋山引水隧洞旄工期围岩变形稳定性监测图3．5K1+794．6断面隧洞收敛时程曲线图3．6K2+286．5断面隧洞收敛时程曲线 四川大学硕士学位论文1．00．50．O铲一一一—r——一-0．5苣-1．0隧苌》拣⋯～一一。一．趔一1．5X≮、V——。、弋≮：～一一⋯～錾．2．o一2．5一～饥＼oo”—3．O’、。。一勺一△^，宓一3．5＼．，r。，＼，1一L1-3一L1—r4十L1—5十L2-3+L2-4一L2—5十L3—4一L3-5一"．U05--9r弋605—9—2005-J0-405-10-1805-11-105-11-1505-11-29图3．7K2．","500断面隧洞收敛时程曲线图3．8K3+174．7断面隧洞收敛时程曲线 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测1．00．50．0《≥军一一≮善霎-0．5＼E羚翼，一-1．0——弋．～‘—1．5一]一Ll一3一Ll—4一Ll一5+L2-3＼．l—}L2-4一L2—5—卜L3-4L3-5-¨．U05—10—2305一11—105—11一1005-1l一1905一11—2806一12—705-12一1605一12—25图3．9K3+441断面隧洞收敛时程曲线图3。10K3+516．4断面隧洞收敛时程曲线 四川大学硕士学位论文图3．1l1(3+784．6断面隧洞收敛时程曲线圈3．12K3+964断面隧洞收敛时程曲线 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测0．0j毽-0．51’～瓣?"一1．O-1．5l悠誓冬．>一，一善一2．0Ll≮雩S誊≮_～二。嚣-2．5娶to／七≥会≤害k警号-3．0＼＼＼、-3．5＼＼＼-4．0+L1一一LI一4一L3—5l-L2-4L2-5L3一i二：竺I、—4．b06一l一2306一l一2906—2—406—2一lO06—2-1606—2～2206-2-2806-3-6图3．13K4+131斯面隧洞收敛时程曲线0．8人0．6／＼0．4厂＼＼．八0．20．0?’耳-o．2窿淞一一：·一．～．．～袈-0．4h＼＼、，电一二弋掣{f≮～＼—／＼＼＼—o．6b一．∑～．＼-0．8＼～、：：之)_-1．0-1．2I+—5十s4-。L5|：纛。-4、。L芝3P：亲一1．4Q§=L二1806—1—2400-1-3000-2-6Q6=2=U00-2—17图3．14K4+502．6断面隧洞收敛时程曲线 婴型查兰堡主兰垡堡茎4．O、／＼．／1．——广3．0＼n／访√厂—(2．O∥叭／、置V1．0趔．寸—一羹。．。擐二￥V7．～，弋一1．0／＼、厂＼—2．0＼一、，，l—F1一F2一F3一F4J、、．．．．“—d．U05—9—705—9-1305—9-1905—9—2505-10—105—10-705-10-13图3．15}(1+150断面锚杆应力计时程变化曲线图3．17K1+150断面F2锚杆应力计与温度变化相关曲线 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监铡7·。6·。／一一／、／一‘5·0厂一孓13．o厂一—／一一2．。／fV?——一，／‘11—／1．。I口1⋯l^^U．U06-3-1206=3=1606—3-2006-3—2406—3—2806-4-1逝E生=5图3．18K1+477．7断面锚杆应力计时程变化曲线140．0|卟一一一，一120．0／／，—一一lOO．0吾80．op／絮篮～一一一罄60．o寨40．020．0f，0．0鬈一一05-9-605-9-2405-10-12(15-lo-3005-11一1705—12-505—12-2306-1地图3．19K2+498断面锚杆应力计时程变化曲线 四川大学硕士学位论文14．012．Ol0．O，_厂—一一———一／。委8·0厂，———一捌I／一一蕞6巾礴?／—一蜒撂4．02．0＼l／0．O眨⋯—一一2．005-10一110．E-10-3105-11-2005-12一1005-12-3006-1-1906-2-806-2-28图3．20K3+442断面锚杆应力计时程变化曲线16．O14．OI一．，，一12．O|／。10．0营／,-捌8·0／盘。．。一囊●——一。4．0≯≈一一2．0fL＼————一0．0l——F1——F2——F3一F4l一2．O05-10—1005—10-3105一11—2105一12一1206—1—206-1-2306—2一1306—3—6图3．21K3+965锚杆应力计时程变化曲线 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测图3．23K1+478．7断面钢拱架测点1位移变化量4．O3．O／-—-—●、‘～．^2。0-·——，／，—_-—·k～一一量1．0，／蹬O·O／人．／国一1．0＼＼’l一△x2一△y2一△s2lI_2．0⋯一一J．U06-3-1006—3—1506—3—2006—3—2506—3—3006-4--4图3．241(I+478．7断面钢拱架测点2位移变化量6．O4．0，”詹2·o／口0．01岛小．i．菪-z．o、～一一4．0l一△x3一△y3一△s司一o．U。06—3—1006--3—1506—3—2006—3—2506—3—3006—4=生圉3．25K1+478．7断面钢拱架测点3位移变化量图3．26K1+478．7断面钢拱架测点4位移变化量 四川大学硕士学位论文2．O，—／售1．0／■—■—__誊mo’＼—1．OI一△x1一△y1一△slI、、、一Z．U06—1-2506-1—2706一l一2906—1-3106—2二2图3．27K1+532断面钢拱架测点1位移变化量2．03：：：———t—’一碧：：：一／：：：：——、。一1．U。一⋯U一△x2一△y2一△s2I一—、06一l一2506—1-2706一l一2906-1-31O垦=2二2图3．28K1+532断面钢拱架测点2位移变化量1．5台1．0。—／墓o．s～／1堪0．0—≮一—、——一一O．5一LU一。I一一。一Ay一△s31—＼．06一l一250E}一l一2706—1—2906一l一3106—2—2图3．29K1+532断面钢拱架测点3位移变化量图3．30K1+532断面钢拱架测点4位移变化量 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测图3．31K1+614断面钢拱架测点1位移变化量图3．32K1+614断面钢拱架测点2位移变化量图3．33K1+614断面钢拱架测点3位移变化量图3．34K1+614断面钢拱架测点4位移变化量 60．O—t———_一一40．0d__。一⋯32：：：．●，‘一蛰竺：：：。—^．～"-’’●’●～一一60．0—叫一△x1一Ayl一△s1I‘一-80．0⋯‘⋯⋯⋯05-12-2706-1-606-I-1606-1-2606-2-506-2-1506-2-25图3．35K2+694断面钢拱架测点1位移变化量图3．36K2+694断面钢拱架测点2位移变化量60．040．0．-．●●●¨——r_r一^20．0。．。-—r····‘’‘‘。’‘。+。：一一．．善o．o——●～_‰一1营喇-20．．：一60．O一△x3一Ay3一△s3l一05-12-2706—1—806-1-2006-2-106—2—1306-2-25图3．371(2+694断面钢拱架测点3位移变化量5．O4．0．_-‘E‘．3．0，帆．∥＼y多弋＼．信2．O。一，弋，、‘廿1．0／＼．M，)、。．一／／．．，—一／一。靼一：：：￡^．．，’一耵＼k厂一’∥广—，一、、，，’yV-2．0X一，_7l一△x4一△y4一△s4卜一一—3．005一】2—2706—1—806一l一2006—2一l06—2—1306—2—25图3．381(2+694断面钢拱架测点4位移变化量73 3瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测图3．39K2+733断面钢拱架测点1位移变化量图3．41K2+733断面钢拱架测点3位移变化量图3．42K2+733断面钢拱架测点4位移变化量74 四川大学硬士学位论文t—5￡：ll∞／140／3120罄100／，／l洞挖3拄尺曼∞—一——_-羹60』≯雕／40，／●●●．‘●’‘‘●-20夕005．8—805-：B—t605．B．2405．9．105．9．905．·9．1705．·9-25图3．43K1+090断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线图3．44K1+794断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线 瓦屋山引水隧洞施工期围岩变形稳定性监测250。．1．5●200—／3k．厂，，，●键150：／-1．5写疆‘-拱顶沉降．2．5～m--、．，”≯蓬tooL孵／．／：k卜．50√，一一～·’，，h、F。：‘3ac／-●-r／05．8—2805．9-t205．9．2705一10一1205．10-2705．11一1105一11-26图3．45也+5∞断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线图3．46K3+174断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线 婴业查兰堡主兰垡堡兰20000．，180lI‘．1氖+{160I，一}／l{●．140喜。20，’《：．·^：j-3。c5旧陌100并f拱顶沉降蓬80擞项趋势线聪f60．)4020?’‘。-，，，k●。t’’～厂、■、}v。05．6-3005．．7．．1605-8．105一：§一1705．9—205一‘)．1805．【0-405．1m20图3．47K3+784断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线图3．柏K4,+131断面拱顶沉降与施工进尺时程曲线 4瓦屋山引水隧洞围岩模量声波检测围岩声波测试，是地球物理控测方法中的一种，通常泛指声波(频率2～20kHz)和超声波(20kHz以上)测试，因目前国内岩体测试中激发的弹性波频率大都在声波范围内，故一般称为声波测试。声波测试，具有快速，简易、经济等特点，在地下工程测试中，被广泛地用来测定岩体物理性质(动弹性模量、岩体强度、完整性系数等)，判别围岩稳定状态，提供工程围岩分类的参数。是一种应用性很强、具有广阔发展前景的测试技术165-681。4．1声波检测的目的由于瓦屋山水电站引水隧洞围岩变形稳定分析和结构计算需要比较准确可靠的力学参数。结合隧洞工程开挖揭露的地质情况，并根据工程检测需要，现场分别在各施工支洞对应洞段布设了声波测试孔，并及时开展了钻孔声波测试。根据声波测试成果，结合有关规范和经验以分析评价引水隧洞围岩力学特性，并给定围岩变形模量建议值，为瓦屋山水电站引水隧洞围岩稳定分析的反演计算和结构配筋优化提供依据。4．2声波测试方案瓦屋山水电站引水隧洞施工期间分别在l#、甜、端施工支洞所对应的引水隧洞洞段布设了声波测试孔．从现场围岩开挖揭露的情况看，声波测试孔所在洞段的地层岩性为浅砖红色粉砂质泥岩，除层面外，其它裂隙不发育，且层面基本呈闭合状，声波测试孔所在洞段的围岩类型总体为Ⅲ类。现场钻孔声波测试所采用的声波仪为中科院武汉岩土所开发的“RsM—SY5智能声波检测仪”(见图4．2)，能有效完成岩石或混凝土等非金属试样测试、岩体的松动圈测试、野外地质声波测试、岩石或混凝土等非金属介质力学参数测试、结构混凝土的强度及缺陷检测、基桩的埋管法检测、隧洞混凝土衬砌检测和锚杆耦合测试、通用动态信号的采集分析等，基本测试原理及测试用途如图4_3所示。声波测试孔布置如图4．1所示。本次引水隧洞现场声波测试单孔法(一发双收)发射点至两个接收点的间距分别为0．33m和0．55m，换能器每次移动距离为0．2m，满足‘水利水电工程 四川大学硕士学位论文岩石试验规程》(SL264．2001)中有关“岩体声波测试”的有关要求。声波仪测试原理及主要用途见图4．3。图4．1声波测试孔布置图l南⋯^!⋯⋯+·，，，。。∞。鱼。二h一一，．图4．2RSM---SY5智能声波检测仪T钆 4瓦屋山引水隧洞围岩模量声波检测现场声波测试图4．3声波仪测试原理及主要用途示例4．3围岩模量检测成果由于声波测试过程中横波比纵波后到达，而横波易受干扰，波形难于分辨，工程中一般采用纵波波速来评价岩体的力学特性和结构特征。根据弹性波传播理论，在已知发射和接收换能器中心点的距离L，以及测试范围纵波传播时间tp，则可以按照下式计算岩体的纵波速度Vp：rK=—=一(4一1)‘0一毛式中：vp一纵波速度(m／s)；L一发射、接收换能器中心点的距离(m)；～一纵波在所测试的岩体中行走的时间(s)；t0一仪器系统的零延时(s)．根据上述方法，测试获得引水隧洞各洞段围岩的纵波波速结果见表4．1～表4．3，根据表4．1～表4．3的声波测试结果绘制的纵波波速随围岩深度变化见图4．4～图4．6。80 四川大学硕士学位论文l群支洞21)1．1l#支洞ZDI．2围岩深纵波波速％围岩描述围岩深纵波波速％围岩描述(m)实测值(rids)(m)实测值(m／s)0．420500．42140低波速区，围O．62100低波速区，围O．62230岩开挖强烈0．82430岩开挖强烈0．82400松动卸荷区12370松动卸荷区l26251．228001．235901．433301．436301．63630l_63585波速过渡区，1．835lO波速过渡区，L83590围岩开挖卸23440围岩开挖卸23360荷影响区2．23550荷影响区2．234302．435302．433702．636702．634402．837202．8387033740336703．237653．240753．437703．440703．638203．640753．839303．84040波速正常区，4401544135不受围岩开4．24(y704．24230挖卸荷影响4．441304．44260区4．641054．64，啪4．840叮5540155．239605．439005．6加8081 4瓦屋山引水隧洞围岩模量声波检测表4．22#支洞所在洞段围岩声波测试成果2#支洞ZDI—I2#支洞窈I-2围岩深纵波波速％围岩描述围岩深纵波波速嵋围岩描述(m)实测值(m／s)(m)实测值(m／s)O．31650O．316IOO．51570O．51670低波速区，围O．716800．71740岩开挖强烈低波速区，围O．917300．91930松动卸荷区岩开挖强烈1．125601．12120松动卸荷区1．327501．327201．5297D1．526151．729251．72850L931601．929302．133752．13350波速过渡区，2．333152．33215围岩开挖卸2．53255波速过渡区，2．53160荷影响区2．73180围岩开挖卸2．731202．93160荷影响区2．934603．130403．136203．333953．337603．532503．53630波速正常区，3．733403．73840不受围岩开3．933lO3．93810挖卸荷影响4．135004．I3950区波速正常区，4．337204．33920不受围岩开4．53930挖卸荷影响区 四川大学硕士学位论文磷支洞ZDI．13#支洞ZDI．23#支洞ZDI．3围岩深嵋实测围岩围岩深％实测围岩围岩深％实测围岩(m)值(m／s)描述(m)值(m／s)描述(m)值(ms)描述0．42980波速过0．42790波速过渡区，0．630300．62870渡区，0．62890围岩开波速过0．83000挖卸荷O．83080围岩开O．83070渡区，1．O3670影响区1．O3040挖卸荷1．O3120围岩开1．241751．23590影响区1．23500挖卸荷1．441751．438901．43470影响区1．641251．638401．635101．840751．838801．835902．o40702．O37902．O39602．24【y752．241702．239802．440252-441202．439302．639802．640752．63840波速正2．839252．84025波速正2．83630常区，3393033980常区，33700受围岩波速正3．239803．241)20受围岩3．23790开挖卸常区，3．440253．44080开挖卸3．43840荷影响受围岩3．640203．64075荷影响3．64260轻微区开挖卸3．840253．84{)20轻微区3．84135荷影响44020441)2043900轻微区4．241904．240254．239854-440754．441)204．441354．641004．641354．641354．840lO4．839554．841905404053900540755．240155．239605．24195 4瓦屋山引水隧洞围岩模量声波检测，)0045∞40∞3铷30∞25∞2瑚2500lIlIloZo"-2●，。k／舞一kp久f。一、一爿，，愀盘j1|41≯f|『一／。，|岳0彩QOQ5lD15Z0Z53．o3．54．04．5500S560呻山ofSum)und／ngRock哪图4．4l#支洞所在洞段围岩声波随深度变化关系【：；吕裂：l，十呻，l—’‘I／bk=：．～尹～L一∽商o／户／．卜，，||』一k尹(IOo．51．O1．52．02．53-03．54．04。5置oD呻ofSurmlzadingRm㈣图4．5批支洞所在洞段围岩声波随深度变化关系赍甘B矿备日。雨罗蟹掌Pb■眉正赍县y五日萝o■，b|黉 四川大学硕士学位论文。丑)3-1#OZD3—2#vZD3—3#’叫“恰奠孓少腻＼／o一土、，，_《一，4尸、、州‰|户破l／p7j!l‘是ft0D0．51．01．52．02．53．03．54．04．55．05．56．0DepthofSⅧⅫm|i119Rock㈤图4．6斟支洞所在洞段围岩声波随深度变化关系4．4围岩变形参数建议值4．4．1测试成果分析从各洞段钻孔测试的纵波波速结果看：(1)l撑支洞和猫支洞所在洞段的围岩随深度大致可以分为三个区：低波速区(围岩开挖强烈松动卸荷区)，波速范围1570-2850m／s；波速过渡区(围岩开挖卸荷影响区)，波速范围2930—3670m／s；波速正常区(受围岩开挖卸荷影响轻微区)，波速范围35(X)-4290m／s。(2)3撑支洞所在洞段的围岩随深度大致可以分为两个区：波速过渡区(围岩开挖卸荷影响区)，波速范围2890-3670m／s；波速正常区(受围岩开挖卸荷影响轻微区)，波速范围3630-4260m／s。(3)3舟支洞所在洞段的围岩波速总体高于l#支洞和错支洞所在洞段的围岩波速，尤其是l#支洞和2#支洞所在洞段的洞壁围岩波速普遍偏低。分析表明，除各洞段围岩的岩石风化程度有所差异外，主要原因可能是泥岩受开挖松弛卸荷影响所致，因为l#和2#支洞声波测试是声波孔钻好约半个月之后才测试，而3j；}支洞却是在声波孔钻好后不久便进行了测试。因此，在对隧洞衬砌结构计算啪跏啪菱|咖訇432 4瓦屋山引水隧洞围岩模量声波检测和结构配筋中需注意围岩开挖长期松弛卸荷导致洞壁围岩力学特性的劣化效应。4．4．2隧洞围岩力学参数评价测试的纵波波速一方面可以通过理论公式计算相应的动弹性模量Ed，另外还可以参照水电有关规范(见表4．4)或经验公式评价其变形模量E0。4．4．2．1根据弹性波理论计算动弹性模量根据弹性波传播理论推求的动弹性模量Ed与纵波波速u的关系为：乜=彬掣胛件2)式中：Ed一岩体动弹性模量(MPa)；Vp一纵波速度(m，s)；p一岩石密度(g／cm3)；lI一泊松比。就本工程引水隧洞围岩而言，考虑到泥质粉砂岩中裂隙不发育，取泥质粉砂岩密度p为2．49／cm3、泊松比p为0．30，则按照上式计算的不同波速区的围岩动弹性模量Ed见表4．5。表4．4坝基岩体或洞室围岩分类及力学参数岩体分类声波法纵波变形模量或岩体工程地质特性围岩稳定性国岩速度v“m／s)瞰GPa)类型致密坚硬的、裂隙不发育的、新鲜完整的、厚及巨厚层结构的岩体．裂隙问距大于稳定．围岩可长期稳I100cm。无贯串性的软弱结构面、稳定性好，>50∞>20定，一般无不稳定块体如岩性较单一的岩浆岩或火山岩类，深变质岩(块状片麻岩、混合岩)、巨厚沉积岩坚硬的，裂隙较发育的、微风化的块体、厚基本稳定．围岩整体稳层状及次块状的较完整岩体．裂隙间距为Ⅱ定，不会产生塑性变5伽0400020．10100～50cm，如厚层砂岩、砾岩、未溶蚀的形，局部可能产生掉块石灰岩、白云岩、石英岩、火山碎屑岩等， 四川大学硕士学位论文除局部地段外，整体稳定性较好(包括裂隙发育，经过灌浆处理的岩体)中等坚硬的、完整性较差的、裂隙发育的弱局部稳定性差。围岩强风化次块状、镶嵌状岩体．中厚层状结构岩度不足，局部会产生塑体，裂隙间距50-30em，岩体稳定性受结构性变形，不支护可能会Ⅲ4000-3∞O10-5面控制，如风化的I类岩，石灰岩、砂岩、产生塌方或变形破坏．砾岩及均一性较差的熔结凝灰岩、集块岩等完整的较软岩可能暂(作为坝基，必须进行专门性地基处理)时稳定完整性较差的、裂隙发育、强度较低的、强不稳定．圉岩自稳时间风化的破碎及互层状岩体．中～薄层状结构很短，规模较大的各种IV岩体，裂隙间距小于30em，萨亚、泥灰岩、3000-20005-2变形和破坏都可能发粉砂岩、凝灰岩、云母片岩、千枚岩等，岩生体整体强度和稳定性较低岩体呈散体状结构．由岩块夹泥或泥包岩块组成，具松散连续介质特征．岩体破碎，不极不稳定．围岩不能自V<20∞2．n2能作为高混凝土坝地基．当坝基局部地段分稳，变形破坏严重布该类岩体，需作专门性处理注：本表综合《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)和‘混凝土重力坝设计规范》(DLSl08—1999)汇编而成。4．4．2．2根据规范评价变形模量结合本工程引水隧洞围岩测试的纵波波速成果，根据<水利水电工程地质勘察规范》(GB50287．99)和<混凝土重力坝设计规范》(DL5108．1999)(见表4．4)，可知低波速区围岩类型总体为Ⅳ类(局部洞段甚至降为v类)，而波速过渡区和波速正常区围岩类型总体为m类。根据不同波速区的统计成果，结合规范的参考标准，采用内插的方式获得的各波速区的围岩变形模量见表4．5。4．4．2．3根据经验公式计算变形模量工程实践资料表明，岩体的纵波波速Vp与变形模量有Eo较好的相关性。参考国内外有关纵波波速划分围岩，岩体类型、评价岩体交形参数的有关资料， 4瓦屋山引水隧洞围岩模量声波检测建立起纵波波速vp与变形模量E0的经验公式(式4-3)，计算的围岩变形模量见表4．5。。logIoeo=2．278109lo匕一0．434(r=O．99)(4-3)式中：Eo一变形模量(GPa)；vp一纵波速度(knds)。表4．5引水隧洞围岩力学参数对比及建议值纵波波速动弹性模量变形模量圪(m／s)易(GPa)Eo(GPa)波速分区规范法经验公式范围值建议值平均值1570一28504．39—14．380．45—4．551．03—4．002．0低波速区21908．852．572．302790—367013．87—24．014．37—8．353．8l一7．12波速过渡区329019．396．455．605．53500—429021．84—32．8l7．50—12．906．39一lO．16波速正常区397028．239．858．568．54．4．2．4围岩变形参数综合评价及变形模量建议值综合不同方法评价的变形参数成果(表4．5)看，直接根据弹性波理论计算的围岩动弹性模量较高，原因在于弹性波测试中仅反映了围岩的弹性变形性质，且根据工程经验可知，岩体的动弹性模量比静弹性模量大，而工程设计中往往采用岩体变形模量。因此，表4．5中的动弹性模量仅建议进行动力分折计算时采用。从表4．5还可以看出，根据规范法以及经验公式获得围岩变形模量较为接近，考虑到本引水隧洞工程的安全性，在规范法和经验公式法计算的变形模量基础上，考虑一定的安全储备，建议各波速区围岩的变形模量见表4．5。需要指出的是，在隧洞结构应力及配筋计算模型中，为了工程安全并充分考虑围岩开挖卸荷分区影响，建议距洞壁1．3。1．5m范围以内的低波速区按表4．5的建议值选取，距洞壁1．3—1．5m范围以外的围岩均按波速过渡区的建议值选取。88 四川大学硕士学位论文5瓦屋山水电站引水隧洞支护结构优化研究5．1不同类别围岩支护方法及参数瓦屋山水电站引水隧洞围岩类别分布不均匀，围岩岩性差，不确定因素多，针对已经开挖的洞室，根据洞室监测资料和声波检测成果的分析，不同类别围岩支护设计方案如下：．在Ⅲ类围岩地段采用喷锚支护，用0．4m3液压反铲撬除洞内危石，用MEYCO-GM(6m3／h)砼喷射机喷200#砼厚lOom，用ROBOLTH375锚杆安装车打锚杆，锚杆型号；022mm，L=3．0m，@1．5x1．5m。在Ⅳ类围岩地段采用喷锚挂网临时支护，泥质类围岩忌用水冲!开挖结束后，用压风吹喷砼面工作面，接着喷射200#砼厚5cm、打锚杆(q》22mm，L=3．5m，@1．5x1．5m)，然后挂钢筋网(06ram，@20x20～25x25cm)钢筋焊在锚杆上，再进行第二次喷砼8em，须覆盖钢筋网2～3cm厚。支护范围为边墙及顶拱。在地质条件差段，需进行底拱喷锚支护，以防止底拱膨胀隆起变形。V类围岩地段主要分布于引水隧洞进出口及Fl断层破碎带。据不同水文地质情况采用不同临时支护措施。1)在一般V类围岩地段采用喷、锚、挂网及钢支撑方式，支护参数：喷200#16～20em，第一次喷射8em厚钢纤维砼，开挖后及时喷射，挂网后再行第2、3次喷射，锚杆m22mm，L=4．Om，@1．0x1．0m，钢筋网06衄，@20x20cm；钢支撑116、@=0．8～1．0m。2)在较差V类围岩地段(地下水较丰地带)采用超前锚杆或超前管棚法施工，对围岩进行超前固结。旌工程序：在设计开挖规格线之上造64mm大孔，仰角15～20。，间距28～32cm，孔深4．2～6．0m，用台车或人力压入花钢管，钢管直径巾38mm，壁厚5mm，长约5m，管壁钻m6～8111m注浆孔，孔距50mm，管前端开三个尖楔形口，构成尖锥端便于进入钻孔。加一定压力注浆，使浆液溢出花管外与孔壁围岩粘牢，再插入025mm钢筋于花钢管中，钢筋末端焊于钢拱架上，管棚范围拱圈以上120～900范围，视围岩情况，在管棚支护下进行导洞开挖及两侧扩挖，及时喷射8cm厚钢纤维砼(钢纤维含量65～80kg／m3)，加钢支撑116，间距0．8～l-0m，视前段围岩情况进行调整，挂钢筋网(06mm，@20x20m)焊于钢拱架上，最后进行第2、3次喷射200#r砼填满钢拱架。 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究Ⅳ类、V类围岩施工需结合其开挖方法、钻爆设计、支护措施、变形量测等综合分析，不断调整以确保安全，快速掘进，施工中应遵循以下原则：短进尺、多循环、强支护、弱爆破方法施工。5．1．1临时支护方案ⅡI类围岩段采用随机锚杆和喷射5cm厚C20混凝土作为临时支护。Ⅳ类围岩段设m22，L=2．5m，间排距2．0m的系统锚杆，挂由8@20x20cm钢筋网，喷10cm厚C20混凝土作为临时支护。v类围岩段采用格栅、喷锚作为临时支护。且4,22，L=4．5m锚杆超前支护。引水隧洞的开挖和临时支护中，应预备超前锚杆、小导管、格栅钢架等作为应急措施，必要时使用。初期支护应紧跟开挖进行；初期支护要根据围岩类别的变化，岩体结构的变化进行调整，作好超前地质预报，要特别预防断层和涌水等突发情况的出现，减小这些情况对施工的影响。5．1．1．1I临时支护施工方法、工艺1．临时支护参数Ⅲ类围岩段采用随机锚杆和喷射5cm厚C20混凝土作为临时支护．Ⅳ类围岩段设由22，L=2．5m，间排距2．0m的系统锚杆，挂由8@20x20cm钢筋网，喷10era厚C20混凝土。v类围岩采用格栅、喷锚支护。并增加超前锚杆超前支护。引水隧洞的开挖和临时支护中。应预备超前锚杆、小导管、格栅钢架等作为应急措施，必要时使用。2．喷射混凝土施工工艺和方法(1)施工工艺作为临时支护的喷射混凝土为C20的喷射普通或早强混凝土，采用TK96—1湿喷机湿喷工艺施工。喷射混凝土由洞外拌和站集中拌和，混凝土搅拌运输车运送，洞内喷射前加入速凝剂。工艺流程见图5．1。90 四川大学硕士学位论文图5．1湿喷混凝土工艺流程图(2)原材料的要求水泥：采用PO．42．5普通硅酸盐水泥。骨料选择：砂、碎石符合规范要求。外加剂：减水剂采用苯系列高效减水剂，速凝剂为喷射混凝土专用速凝剂，在喷前方可加入并与砼充分拌和。(3)配合比选配：由试验室进行选配设计，达到试喷试件强度和抗渗性能合格，报监理工程 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究师批准后方可在旌工中使用。(4)喷射前的准备工作①检查开挖断面尺寸，处理岩面松碴确保不欠挖。②用高压风水冲洗受喷面。③埋设控制砼厚度的标志。④检查通风和照明，机械设备进行试运转。(5)操作要求①砼拌合的和易性控制，从试喷和在工序作业中测定，TK-961型湿喷机对塌落度的适应范围在8～15em，要设专人严格计量，随时检测拌合料的塌落度。②喷头与受喷面的距离：TK--961湿喷机要求压力0．3-0．5MP，喷头距受喷面太近时，压缩空气会将风“粘”在受喷面上的砼拌合料吹走，使粗骨料的回弹量增大．试喷情况表明，当喷头距岩面为1．5．2．0m时较适宜，这比干(潮)喷的距离大。有条件时，将喷头固定在机械手上进行，若人工掌握喷头时，应两人操作或用简易支架进行操作。③为保证喷射砼质量，每层喷设砼厚度为5cm，分2层喷够设计厚度。④风压：TK-961型喷机要求工作风压0-3～O．5MPa，系统风压≥O．5MPa，耗风量≥9m3／min，控制好风压，减小回弹量。⑤喷射角度：喷头应保持与受喷面垂直，若受喷面被格栅钢网覆盖时，可将喷头稍加偏斜，但不宜小于700．⑥喷头运动方式：呈“s”形运动，一般由低向高进行。⑦喷射混凝土终凝2小时后，及时喷水养护，养护时间不少于14天。⑧在引水隧洞开挖一个循环过程中，喷射混凝土终凝到下一循环放炮时间不得小于3小时。(6)有水地段喷射混凝土的措施①适当增加水泥用量和增加速凝剂掺量，降低水灰比；②喷射时，先从远离出水点处开始，逐渐向涌水点逼近，将散水点集中安设导管，将水引出，再向导管逼近喷射；③涌水严重时，可设树支状排水导管后再喷射；④湿喷不易实施时，改用潮喷机，采用普通潮喷工艺。3．锚杆施工工艺和方法 四川大学硕士学位论文(一)本工程Ⅳ类围岩段临对支护设由22，L=2．5m，间排距2m的系统锚杆；Ⅲ类围岩段设由22随机锚杆，长度为L=2．5m。隧洞开挖后，受工程岩体应力重新分布的影响，洞壁的周围形成松动区和塑性区，随着围岩的塑性区向岩体深处的发展，松脱到一定程度，产生松脱压力，最终造成工程岩体失稳。支护的目的是使支护承受围岩向隧洞内收敛变形所产生的变形压力以及部分松脱压力，从而达到围岩和支护的平衡稳定状态。跨度越大，变形压力发展越快，因此及时支护尤为重要。锚杆加固要贯彻长短结合的原则。提高锚杆施工的效率和质量，对保证按期完工，具有实际意义。为此专门加工了喷锚、挂网、拱部回填灌浆等施工的综合台架。根据砂浆锚杆施工的经验，拟确定水平及俯角锚杆采用单管注浆，仰角～竖直角采用双管注浆。锚杆施工的质量，主要是保证灌浆质量。灌浆中必须一边排气，一边灌浆，使浆液饱满。(二)锚杆的施工工艺和方法(1)锚杆孔施工锚孔施工是确保锚杆施工质量的基础。锚杆根据其发挥的作用分为两大类，即：系统锚杆和随机锚杆。前者必须满足设计的角度和位置，后者则根据岩体的不稳定因素确定相应角度和位置。组织熟练技术工人，进行锚杆的安装及注浆。(2)材料选择确定①水泥使用标号不低于PO．425的硅酸盐水泥。②砂的粒径不大于2．5mm，使用前应过筛，严防石块和杂物等混入．(3)砂浆配合比确定根据锚杆设计长度均大于或等于2．5m，采用先插后注的施工方法，砂浆配合比为：水泥：砂=l：l，水灰比一般为0．38～O．45。(为确保注浆质量，掺入适量膨胀剂)。(4)先插后注的旌工工艺①对向下的锚杆，应将注浆管插入孔底，随后边注浆边向外拔注浆管，直到注满为止。②对向上的锚杆，应采用排气注浆法，即将内径5-5mm壁厚1-2mm的PE 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究软塑料排气管沿锚杆全长固定于杆体上，并在孔外留lm左右长的富余长度。⑨将锚杆缓慢送入孔中至设计位置，将长250～300mm，外径25mm左右的薄壁钢管用早强或超早强水泥固定在孔口位置并将孔口堵密。④三天后安装垫板并拧紧螺帽。⑤在安装锚杆垫板时，应确保垫板与锚杆体垂直，当孔的轴线与孔口平面不垂直时，为保证垫板能均匀地紧压岩面，常用下列方法：a、在螺帽下部设置斜垫圈。b、采用角形垫板调整。c、采用带球面的钟形垫板。d、在垫板后用砂浆或混凝土调整。(5)砂浆锚杆注意事项①锚杆钻孔分布成交错式，并尽量与所在曲面法向方向重合。②钻孔前进行浮石等的检查，并加以清除；钻孔后要清孔。③注浆人员的防护配备要整齐。④做好作业脚手架的日常安全检查详见图5．2施工工艺框图。(6)设备选择采用3SNS型注浆泵，额定2．55Mpa：钻孔直径由50mm。(7)质量保证①根据现场注浆材料合理选配施工配合比，并掺入微膨胀早强剂。②锚杆施工前，先作注浆密实度工艺模拟试验，确定出确保砂浆密实度的注浆方式，选定注浆参数。③选择有丰富施工经验的技术人员负责施工。4．挂钢筋网施工工艺和方法(1)钢筋网应根据支护的围岩面的实际起伏形状铺设，在喷射了一层混凝土之后再铺设，第一层混凝土厚5cm；(2)钢筋网应与锚杆连接牢固，牢固程度以喷射混凝土时不产生颤动为原则；(3)开始喷射时，应减少喷头至受喷面之间的距离，并调节喷射角度，使钢筋网背阴面也能塞满混凝土；喷射过程中，要随时注意清除脱落于钢筋网上 四川大学硕士学位论文图5．2锚杆施工工艺框图 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究的混凝土，以保证喷射混凝土质量。(4)初期支护钢筋网安装要尽量紧贴岩面，但距岩面净距不小于2cm，绑扎牢固，并与锚杆头联接。5．钢支撑施工工艺和方法本工程段对危险地段临时支护可采用格栅或工字钢钢支撑，钢格栅采用4根巾22螺纹钢作为主筋，辅以由18钢筋做支撑斜筋、箍筋焊接而成；工字钢钢支撑可采用118工字钢加工而成。安装时将钢支撑、超前支护和系统锚杆牢固地连接在一起，并且喷砼封闭密实，才能形成有效的支护体系，从而保证开挖断面的稳定。(1)格栅钢架的加工在钢筋加工棚内，根据格栅设计尺寸放出1：1的大样图。大样图台座应用砼制成，在大样图台座上根据具体的施工方案，划出适合实际施工方法的小格栅钢架分段，再用红油漆描好即可。钢筋工即可根据描好的图样下料，电焊工按此进行焊接成型，并进行试装，无扭曲，翅曲现象。沿设计轮廓线误差不大于±3cm，达到标准后，运到洞内根据开挖情况进行架立。拱架的接头采用钢板，螺栓连接。钢支撑分成5个单元，在洞外加工成型，洞内安装时采用焊接，钢支撑的间距视地质情况在lm～2m之间。每榀钢支撑之间应设环向筋、纵向筋使之与钢支撑焊接为一体，钢支撑环向应增加锚杆，锚杆与钢支撑焊接，尤其应增加锁脚锚杆。需要安装钢支撑地段，应注意开挖断面净空尺寸不影响衬砌钢筋的安装。(2)施工支护注意事项在开挖中，钢支撑与超前支护及系统锚杆的连接必须引起重视。只有将钢支撑、超前支护和系统锚杆牢固地连接在一起，并且喷砼封闭密实，才能形成有效的支护体系，从而保证上半断面的稳定。为防止在清理下导坑时，上部支护架悬空而引起变形脱落，在加工钢支撑时，对其拱脚进行放大处理，向外侧放大20cm，使在清理下导坑时不致悬空。另外应对其拱脚部位在每榀拱架的拱脚用两根m22锁脚锚杆锁死，控制其下沉和变形。 四川大学硕士学位论文5．1．2永久支护(衬砌)施工方法本工程Ⅲ、Ⅳ、v类围岩均为全圆钢筋混凝土衬砌，落底并清洗基岩面和临时支护面后，采用全圆针梁式衬砌钢模台车整体性浇筑衬砌。钢筋绑扎与架立、预埋件的安装采用专门设计的作业平台，混凝土洞外拌和站集中拌料，4m3混凝土搅拌运输车运送，HB40混凝土输送泵送料入仓，插入式振捣器和附着式振捣器配合振捣。本工程Ⅲ、Ⅳ、v类围岩均为内净空ep6．2m的圆形隧洞。因此，衬砌采用全圆针梁式衬砌钢模台车。5．1．2．1永久支护施工方法、工艺本工程Ⅲ、Ⅳ、v类围岩永久支护均采用全圆口25钢筋混凝土衬砌。1．全圆混凝土衬砌的施工工艺和方法(1)整体方案混凝土衬砌采用水工隧洞施工中采用的12m全圆针梁式混凝土衬砌台车，对其模板按照本隧洞设计尺寸进行改装使用，混凝土由洞外混凝土拌和站集中拌和，混凝土搅拌运输车运送混凝土，HBT40型混凝土输送泵上料，采用附着式振动器和插入式振捣器组合振捣，全断面一次性衬砌，同时预留回填灌浆孔。(2)施工工艺流程隧洞钢筋绑扎采用移动式作业支架平台提前完成，不占用衬砌工序施工时间。参见图5．3衬砌混凝土施工工艺流程图。 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究图5．3衬砌混凝土施工工艺流程图(3)模板工程设计拱部衬砌砼采用全圆针梁钢模衬砌台车。钢模断面结构形式见图5．4所示，纵向长度12m，移动式液压台车要满足强度及刚度要求，按照本引水隧洞设计结构断面形式制造。钢模板分为四个单元，利用支撑桁架上面的液压系统，将模板顶升就位。单元模板间增设企口搭接，安装时严格控制缝口搭接，以防漏浆。钢拱部衬砌砼采用全圆针梁钢模衬砌台车。 四川大学硕士学位论文图5．4全圆针粱式砼衬砌钢模台车作业示意图(4)施工方法①清理基岩面：采用自制的高压风水枪，辅以铁锤、钢丝刷、胶皮桶、海绵等工具对基岩面严格清理。②衬砌钢筋安装在不影响前板衬砌砼浇注的前提下和利用已浇注混凝土待强的时间完成安装。a、按照设计断面在洞外钢筋加工棚进行分段下料，对于环向钢筋分段在洞外弯曲成设计要求半径的圆弧，运至洞内进行环向组装。b、衬砌钢筋定位采用在开挖轮廓面上预埋锚筋或采用膨胀螺栓进行固定。 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究预埋件的纵横间距以能满足维持钢筋安装后不因自重发生变形的原则确定。C、钢筋的安装位置、间距、保护层及各部分钢筋的大小尺寸，均应符合设计图纸的要求。d、环向钢筋接长采用对焊，横纵向钢筋连接采用铁丝绑扎定位后弧焊固定。环向钢筋接头部位不宜设在隧洞拱顶中心以及两侧450范围之内。e、为了保证混凝土保护层的厚度，在钢筋与模板之间设置强度不低于结构体设计强度的混凝土垫块，垫块要用细铁丝与钢筋扎紧，垫块分散布置，相互错开。在双排钢筋之间要用短钢筋支撑以保证位置正确。f、所有结构中钢筋的各交叉点要焊牢。安装后的钢筋，要有足够的刚性和稳定性，预制的钢筋骨架，在安装过程中要采取保护措施，避免变形，开焊及松脱。g、钢筋安装采用自制钢筋安装台车作业。h、钢筋安装要根据结构特点确定安装次序和预制焊接时间，最大限度提高作业效率。i、由于衬砌台车作业，下一板衬砌钢筋提前安装绑扎，需预留前支腿和前抗浮机构缺口，待衬砌本循环砼台车就位后再补设，要按照技术规范要求，严格控制补缺时与提前安装的钢筋的连接质量。③砼灌筑。衬砌砼在洞外由拌和站集中拌和，采用4m3砼运输搅拌车运至洞内，由HBT40D液压砼输送泵泵送入模，砼捣固采用插入式振捣器内部振捣，附着式振捣器外部振捣。砼浇筑前，必须安设好模板内的临时支撑，将钢模板与岩面撑紧，并于拱顶安设好由50nun预埋回填注浆管及其它预埋构件，当砼灌筑到支撑点时将支撑拆除，以防止支撑及模板上升。砼灌筑从已衬一端开始，两侧对称进行，分层灌筑，混凝土灌注快要平齐工作窗口时，关闭工作窗，然后从第二排工作窗口进行灌注，依次类推，最后通过项部灌浆口采用压力灌筑封顶，直到挡头板与喷射砼面泛浆为止。④砼养生由人工进行，灌筑24h后，先对模板浇水，以降低水化热，拆模后采用喷雾养生，时间不少于14d。⑤横向接头处理100 四川大学硕士学位论文砼施工前，要对横向接头部位进行处理。对已灌筑地段，除要对旧砼面进行凿毛清洗干净外，对连接的止水带未衬部分要进行清洗干净并用m8钢筋卡定位。防止止水带横向卷翘而造成接头渗漏。⑥拱部回填注浆拱部砼在封顶时，采用液压砼泵进行压力灌筑，使拱顶砼的封顶密实度基本得到保证．但由于喷射砼面并非平整一致，再加之砼的塑性收缩特点，故拱顶部砼与喷射砼面之间，难免会产生空隙。在衬砌完成达到一定强度厚进行拱顶回填注浆，具体方法如下：在砼灌筑前于拱顶每隔2m埋设m50预埋注浆管，该注浆管上端用纱球堵塞，以防水泥浆进入，下端固定于封顶拱摸上，拆模后用预留铁线将纱球抽出，然后进行回填注浆。回填注浆前先用高压风吹孔，检查拱顶空隙情况，然后视情况决定是压注水泥浆还是水泥砂浆。注浆由已注段向未注段逐孔进行，注浆压力采用0．5～IMpa，后一孔冒浆后封闭前注孔，最后一孔在压力达到IMpa稳定lOmin后结束。见图5．5。(5)作业时间衬砌台车每循环衬砌长度为12m，月迸尺IOOm。引水二标引水隧洞全圆衬砌的长度为1190m，总计衬砌所需时间12个月。引水隧洞三标段，本标段引水隧洞施工桩号为隧2+950-4+200，其中3#施工支洞与引水隧洞垂直相交于3+702，引水隧洞围岩以泥岩、粉砂岩和砂岩为主，局部地段出现软弱泥灰岩，围岩类别为Ⅳ和V类，隧洞设计断面为620cm的圆形断面，全部采用钢筋混凝土衬砌，其中Ⅳ类围岩衬砌厚度50cm，V类围岩衬砌厚度为80cm。根据监测资料的分析，引水隧洞Ⅲ标开挖采用上下台阶法开挖，各类围岩的开挖及支护施工方案如下。(1)Ⅳ类围岩开挖和支护方案设计开挖净空断面为720cm圆形断面，台阶法开挖，上断面(圆心下1．5m以上高程部分)应考虑支护厚度部分，即按设计开挖断面扩大lOcm开挖。下断面按设计开挖断面开挖。Ⅳ类围岩采用系统锚杆和随机锚杆、挂网和喷砼支护。系统锚杆间排距1．5x1．5m、m22、L3．5m。钢筋网格间距@20x20cm，钢筋直径由6．5，钢筋挂网10l 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究范围从拱顶至圆心下0．5m。网喷砼7cm厚C20砼支护，喷砼范围为拱顶至圆心下1．5m。如围岩条件较差需增加随机锚杆时，由监理工程师根据实际围岩现场确定，随机锚杆m22、L=3．5m。(2)V类围岩开挖及支护上断面(拱顶至圆心下1．5m之间高程部分)开挖采用城门洞型，下断面(圆心下1．Sm以下高程部分)按设计开挖线开挖。V类围采用超前锚杆、系统锚杆和随机锚杆、钢格栅、挂网、喷砼支护。超前锚杆间距30--40cm，022、k-4．5m。系统锚杆间排距1．5×1．5m、m22、I_；-3．5m．钢格栅间距80～120cm，钢筋网格间距@20x20cm，钢筋直径巾6．5，钢筋挂网范围从拱顶至圆心下0．5m。喷砼厚度以不露筋作为控制原则，平均厚度15cm。喷砼范围为拱顶至圆心下1．5m．如围岩条件较差需增加随机锚杆时，由监理工程师根据实际围岩现场确定，其中随机锚杆022、I．；-3．5m。V类围岩如出现特软弱围岩时，按另下达专题方案施工。图5．5堵水注浆工艺流程 四川大学硕士学位论文5．1．3特殊地段处理5．1．3．1不良地质处理根据提供的设计资料，引水隧洞围岩分类分别为Ⅲ、Ⅳ、V类，如遇节理裂隙、地下水富含地段等不良工程地质段时采取以下措施施工。(1)全过程采取工程地质超前预报，为顺利进行不良地质段施工制定方案。①通过对开挖面的工程地质素描，分析前方围岩状况。②利用地质雷达预测前方100m围岩状况。③采用地质钻机超前探测前方围岩。(2)通过不良工程地质段的方法①施工方案采用分部开挖先进行小导管注浆超前支护，然后分部开挖，贯彻“短循环、弱爆破、快支护、早封闭”的施工原则。②施工程序施工程序如图5．6。③施工要点a、超前小导管注浆1)小导管超前固结注浆。根据地质超前预报，小导管超前固结注浆应在掘进尚未进入断层带前进行，预先在不少于1．0m的良好围岩地段用台车或风枪钻孔，按30cm的间距，a=5"～100的外插角钻孔，埋设L=4．5m的巾48小导管，用注浆泵进行压力注浆。2)小导管注浆浆液强度到达5Mpa后，方可进行掘进开挖，开挖后采用非电毫秒光面爆破，循环进尺按50cm安排，光爆参数为E=40cm，W=60cm，光爆线装药量按g=0．15kg／m初试，经实施后进行调整，掘进采用左、右侧导坑先进、中部在侧导掘进3m后跟进。实行大型机械出碴作业，以加快进度。3)每次掘进后，必须先用砼封闭岩面，在出碴完成后进行WTD25中空锚杆及钢格栅安装、挂网、喷射砼。根据围岩情况，为了加强支护，喷射砼可改为喷射钢纤维砼，钢纤维的掺量为50kg／m3。b、WTD25中空预应力锚杆施工WTD中空预应力是一种新型的支护锚杆，其特点是锚杆可实施压力注浆起到固结、增强锚固段围岩作用，同时锚入后即可施加预应力，使锚固段围岩形103 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究成预应力承载岩体。WTD锚杆长度为3．5m，纵横间距均为150era，梅花形布设。图5．6小导管注浆施工程序图1)中空式注浆锚杆施工工艺见图5．7。2)施工要点——根据施工要求：准确布置锚杆孔位。——严格控制材料质量，砂浆按配合执行。——钻孔：采用YT28型风枪钻孔，并用高压风将孔壁吹干净。将安装好锚头的锚杆插入锚孔，检验锚头倒刺是否将锚杆挂住，并完成止浆塞、垫板、螺母等安装。104 四川大学硕士学位论文图5．7中空式注浆锚杆施工工艺流程图——保证锚头达到预定深度，锚杆端头的垫块与岩面密贴。开通XLE-130A型专用锚杆注浆泵，并保护好止浆塞内孔使其与锚杆体表面接触密贴，不形成排浆通道，注浆压力一般控制在0．4～O．5MPa。——钢格栅施工。参见支护部分。——节理富水区排水方法根据超前工程地质预报，对于节理裂隙富水区，主要采用排、堵、固结加固、弱爆破、强支护的方案通过。根据工程地质具体情况，在固结堵水同时，可用钻孔对地层储水适当排放，以减少地下水水压。地层水排放钻孔采用大直径钻机或工程地质钻进行，进行排放时应先测量富水压位置、地下水水头高度，预估流量，做好排水设施的准备，确保排水顺利、畅通及施工安全，排水方案应呈报监理人和业主，经批准后执行．(3)断层带施工本引水隧洞区内如遇断层通过，也属不良地质情况，施工时要做好预报和 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究支护工作。断层地段施工工艺的研究：①施工前切实掌握断层带的情况，包括破碎带的宽度、填充物、地下水以及隧洞轴线与断层构造线方向的组合关系(正交、斜交或平行)。②当断层带内充填软塑状的断层泥或特别松散的颗粒时，可超前支护，采用正台阶法．③断层地段出现大量涌水时，采取排堵结合的治理措施。④通过断层地段的各施工工序之间的距离尽量缩短，尽快地使全断面衬砌封闭，减少岩层暴露、松动和地压增大。⑤严格掌握炮眼数量、深度和装药量，原则上尽量减小爆破对围岩的震动。⑥断层地带的支护宁强勿弱，并经常检查加固。在断层地段，在监理人同意的情况下，可采用直径不小于15cm的圆木或具有足够强度的型钢支架进行支撑，必要的情况下可采取管棚法支护。⑦加强地质预测、预报工作，坚持以预防为主的原则。主要采取TSP方法；超前钻孔方法；掌子面地质雷达方法。5．1．3．2塌方的预防及处理1．塌方预测围岩的变形破坏、失稳塌方，是从量变到质变的过程，在量变的过程中必然会在围岩的工程地质和水文地质特征及岩石力学上反映出一些征兆。因此，反过来可以依据这些征兆来预测塌方。遇特殊和不良地质时，如断层及其破碎带、滑动层、溶洞、陷穴、古河槽、堆积体、流沙、淤泥、地下水等稳定性差的围岩条件时都有可能出现塌方，必须提前采取防护措施。水文地质条件变化，如干燥围岩突然出水、地下水突然增多、涌水量增大、水质由清变浊都是即将发生塌方的征兆。拱顶不断掉下小石块，甚至较大的石块相继掉落，预示着围岩即将发生塌方。岩石裂缝旁出现岩粉或洞内无故发现有岩粉飞扬时，也说明即将可能发生塌方。围岩发生裂缝，并逐步扩大，很可能要发生塌方．支护受力变形甚至发出声响时，说明围岩压力在增大，有塌方的可能。喷射砼出现大量的明显裂纹，也说明围岩压力增大，有可能出现失稳塌方。围岩或隧洞支护，拱脚附近的水平收敛大于0．2mm／d。或拱顶下沉量大于0．Imm／d， 四川大学硕士学位论文并继续增大时，说明围岩仍在发生变形。处于不稳定的状态。2．预防施工塌方的措施(1)实施施工全过程的工程质体超前预报工作，通过工程超前预报，提前预测，发现前方不良工程地质状况，及时制定施工方案，呈报业主、监理人审批，确保施工方案的正确可行。(2)全过程、全方位进行围岩量测对已施工地段围岩及支护状况的安全、稳定作出定性、定量分析，反馈指导于施工，为维护围岩深层稳定，必要时建议增加预应力锚索，确保已开挖地段的工程地质体的稳定。(3)通过声波及质点震动速度的检测，核实每次起爆炸药总量对围岩及支护安全的影响，按施组设计严格控制每次起爆炸药总量。(4)严格实施预裂爆破、光面爆破施工技术，确保开挖周边轮廓的平整及顺直，并严格控制初期支护的施工质量，确保初期支护及时可靠，严格执行掘进爆破后及时喷射砼封闭开挖面的规定，使围岩与初支护及时组成一个承载体系，充分发挥围岩自身承载能力。3．处理塌方的措施施工中，万一发生了工程塌方，将采取下述措施进行处理：(1)及时撤出人员及设备，确保施工设备及人员的安全，派出现场安全监察哨。(2)组成以项目总工为组长、以地质工程师、安全工程师、施工队长、施工技术员为组员的抢塌方领导小组，全面分析产生塌方的原因，所影响的范围，制定处理塌方的方案，并及时向监理人和业主呈报审批。(3)根据已制定的方案进行塌方处理，首先是加固未塌方地段，防止塌方地段的延伸。如为小量岩体沿节理面下滑形成的塌方，围岩整体较稳定，则及时清理塌方，对塌方处埋设WTD中空预应力锚杆、挂网、喷射砼进行支护；如为大塌方，已形成坑道堵塞，则应先对塌体进行注浆固结，然后用大导管或大管棚进行超前支护，通过时增加WTD25预应力锚杆及钢支撑、网喷砼，并及早进行该段的衬砌，衬砌时预留砼泵送口及注浆口，以便对塌穴用同级砼回填，确保工程安全。(4)施工注意事项： 5瓦屋山引水隧洞支护结构优化研究乱通过不良地质带应遵循“短进尺，早支护，勤量测”的原则，严格控制装药量，爆破参数要经过试验爆破，确定效果后选定，在拱部和侧墙部位应用预裂爆破和光面爆破的方法，减轻对围岩的破坏。施工中应加强支护，根据不同的围岩类别采取相应的结构措施。b．对不良地质带要勤观测，采取超前地质顶报，对围岩进行监测和量测，并使信息及时反馈以指导施工。c．通过不良地质带时要加大安全保障力度，确保施工质量与施工安全。5．2不同围岩参数对支护结构配筋的影响5．2．1计算方案及计算条件说明本阶段采用《水工隧洞设计规范》方法，针对设计上提供的各类围岩地质力学参数变化范围，分别计算三种方案：方案一：各类围岩力学参数取设计建议值下限(最不利地质参数情况)。方案二：各类围岩力学参数取设计建议值中值(中间值地质参数情况)。方案三：各类围岩力学参数取设计建议值上限(最优地质参数情况)。针对以上三种不同地质参数方案，每种方案又分别选取正常运行和检修两种工况进行衬砌结构内力及配筋计算。本次计算范围为引水隧洞60～4814．5m，长4754．5m，隧洞分别穿过Ⅲ、Ⅳ、V类围岩，围岩分类参数设计建议值表详见表5．1。表5．1引水隧洞围岩分类力学参数表＼＼项目密度C’Eo岛f’肛丘厨学＼(g／era3)(rapal(x103Mpa)fMpa／cm)Ⅲ2．4～2．5I．O～2．O0．9～1．32．5～5O．23～0．293～420～40Ⅳ2．3～2．40．5～0．70．05～O．10．5～lO．29～O．352～36～15V2．2～2．3