隧洞钢支撑变形及破坏分析

钢支撑是隧洞支护加固的一种工程措施,工程实践中时有钢支撑变形乃至破坏的事例发生。文章结合工程地质特征、施工情况、研究计算和监测成果,对钢支撑发生变形和破坏的原因进行分析,并对防止事故的发生提出建议。讨论以橙子沟水电站引水洞实例为主,亦列有其它工程。
关键词隧洞钢支撑橙子沟

1、引言
橙子沟水电站位于白龙江上,甘肃省陇南市境内,为径流引水式电站。引水隧洞沿右岸布置,全长约17.2km,属特长引水洞。设计断面为圆形断面,Ⅲ、Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土全断面衬砌,开挖洞径为11.7m、12.1m,衬砌后洞径均为10.5m;Ⅱ类围岩采用底部素衬混凝土及顶部喷混凝土衬砌,开挖洞径为12.56m,衬砌后洞径为12.26m。洞周布置径向系统锚杆,形成一定厚度的围岩承载圈。其中,在Ⅳ类围岩一期开挖上部大半圆中心角240°开挖过程中,设计采用钢支撑进行临时支护。钢支撑紧贴岩面立设,外径(即隧洞开挖直径)为12.10m,内径为11.90m,平均12.00m。采用I20a工字钢,加连接板和螺栓(5段4接头)。钢支撑紧跟开挖掌子面立设,距离在0.5m以内。
2、变形情况概述
在进行桩号引5186.5m至引5189.5m长约3m洞段放炮后,发现在桩号引5180m至5186m共6m长的洞段内,有7榀钢支撑顶拱部位发生变形。钢支撑布设间距为1.0m。
从上游顺水流方向视向下游,钢支撑顶拱有两榀变成凸形,即钢支撑在顶拱跨中突向岩壁;有两榀变成凹形,钢支撑在顶拱跨中陷向洞内。变形后偏离原位约0.2m~0.4m。变形最大点多在跨中钢支撑接头处,也有的偏离跨中在拱顶一侧。这是在钢支撑平面(即垂直洞轴平面)垂直和水平两个坐标系内显示出来的变形。
仰面视向洞顶,有4榀钢支撑顶拱跨中附近出现沿洞轴方向的变形。其中接近掌子面(即下游)的一榀,向上游变形,跨中工字钢断面已扭成横躺状;中间2榀呈“S”形,大体也是向上游变形;远离掌子面(即上游)的一榀向下游变形。变形后偏离原位亦达0.2m~0.4m。
钢支撑顶拱存在三个方向的变形,所以产生的是扭曲变形。
3、工程地质特征
该段岩性为炭质石英黑云母片岩,片理发育,岩质较软弱,局部扭曲。岩层呈薄层状,一般层厚1~3cm左右,产状为NE50°左右NW∠38°左右,倾向右壁。洞轴线方位角NE56.5°,走向与洞轴间夹角6.5°左右。
岩层走向与洞向夹角较小,在右拱肩部位形成临空面,易卸荷,在该段连续发生顺层坍塌,深度为0.5m~2.0m。
4、施工情况简介
该段爆破开挖后,经地质现场鉴定,该段围岩为Ⅵ类,属不良地质段。具体处理方案为
(1)紧贴岩面进行挂网喷护混凝土,厚度20cm;
(2)钢支撑按间距1.0m进行立设;
(3)钢支撑与岩壁之间采用短工字钢进行焊接,使钢支撑承受岩体荷载;
(4)锁脚锚杆布于钢支撑两侧,沿钢支撑轴线每2m布置一对,φ25长4.5m,并代替洞周系统锚杆。用“U”形短钢筋,将钢支撑和两侧锚杆相焊。
(5)由于脱空尺寸较大,考虑到填满空腔的喷混凝土用量过大,因此决定暂不回填空腔,等浇注混凝土衬砌时再填实。
5、研究计算和监测成果
根据《白龙江橙子沟水电站工程引水隧洞稳定及支护结构优化研究报告》[1],在图1中示有隧洞回弹变形曲线,将该曲线隧洞开挖段列表1。
图1和表1说明,在已开挖洞段,受掌子面约束的影响,距掌子面距离(X或X/D)越近,则回弹变形百分比越低。回弹变形百分比指的是隧洞开挖后在垂直洞轴平面内(即横断面内),已经完成的弹性变形的比例。该比例越低,相应尚未完成的弹性变形的比例就越高。在掌子面上X/D=0(相应X=0),回弹变形百分比仅为28%,即尚有72%的回弹变形还没有完成。
随着距掌子面距离的加大,回弹变形百分比逐渐增大,至X/D=2.0的横断面,回弹变形百分比已接近100%,表明回弹变形接近全部完成了。
从回弹变形曲线和数据表还可看出,回弹变形百分比变化的快慢可以分为三段
1)陡变段X/D=0~0.25,回弹变形百分比由28%升为76%,变化速率为1.92(等于回弹变形百分比差值0.48除以距掌子面距离百分比差值0.25)。
2)缓变段X/D=0.25~1.00,回弹变形百分比由76%升为95%,变化速率降为0.25.
3)平缓段X/D=1.00~2.00,回弹变形百分比由95%上升为100%,变化速率仅有0.05。
以上三段变化速率的比为陡变段缓变段平缓段=38.451
钢支撑变形段距掌子面的距离为X=0.5~6.5m,X/D=0.04~0.54,对应回弹变形百分比为36%~87.8%,即在临近钢支撑的爆破段开挖后有64%~12.2%的弹性变形尚待完成,但此时钢支撑已施工,这部分变形所转变成的变形能量就加在了钢支撑上,这是一个很大的荷载。后续的多次开挖,还将有尚未完成的变形能迭加在钢支撑上,只是所增加的变形能越来越小。
计算成果得到了橙子沟引水隧洞该部位收敛监测成果的映证。图2列出该段的收敛监测成果[2]作为对比。在相对距离X/D为0.8(即距掌子面距离为9.6m)时,收敛变形完成了50%左右;而在相对距离X/D为1.3(即距掌子面距离为15.6m)时,收敛变形完成了90%左右。由此可见,主的变形收敛变形值,发生在监测断面附近的几段隧洞开挖之后,而当开挖面远离监测断面后,变形值趋于平缓和收敛。
6、发生变形的原因分析
在该段Ⅳ类围岩临时支护的过程中,主采用了钢支撑、锁脚锚杆两种方式。因此,变形的原因主从这两方面进行分析
(1)钢支撑主分以下几个方面进行阐述
1)钢支撑分段及接头该段围岩支护过程中,将钢支撑分为4段,进行安装。由于是等长分段又是偶数段,因此在顶拱正中间必然有一个接头。接头部位属于钢拱架连接的薄弱部位,顶拱处拱架接头处于弯矩最大的部位。从照片1和2来看,钢拱架在该部位均发生了一定的变形。
2)由于超挖和局部塌方,成榀的钢支撑立设就位后,很难与洞壁贴紧,一般是几处接触,甚至是几点接触。钢支撑与洞壁间脱空的距离小则几十cm,大的达2~3m。因此,钢支撑所起的作用就大大降低。
3)在钢支撑与岩壁连续脱空的部位,采用在钢支撑上面焊接短工字钢,使其顶紧岩壁。这样,致使工字钢由连续受力变为集中受力。由于脱空尺寸较大,考虑到填满空腔的喷砼用量过大,决定暂不回填空腔,等浇注砼衬砌时再填实。本来钢支撑应与喷砼共同工作,承担围岩的压力,现在变为钢支撑单独承受围岩压力,又集中在几个点上。从现场钢支撑变形情况来看,围岩压力的作用方向不仅存在于钢支撑最有利的垂直于洞轴的平面内,而且还来自从掌子面指向已开挖洞段的方向,使钢支撑承受了来自侧面的推力,结果致使钢支撑发生扭曲变形。
4)钢支撑紧跟掌子面立设。由于距离掌子面距离较近,爆破过程中产生的气体后推力使钢支撑沿着水平方向会发生一定的变形,再者由于单榀钢支撑之间由于空腔的存在,整体性不强,致使在接近掌子面附近的一榀向上游变形,而其它则扭成S形状。
(2)锁脚锚杆由于采用系统锚杆代替锁脚锚杆,因此出现了如下问题
1)由于先立设钢支撑,致使锚杆施工时间推迟。本来锚杆在开挖、出渣、排险之后,紧跟着施工,现在推迟到钢支撑支好以后。可能使锚杆失去更有利的施工时段。

2)隧洞腰线以上的锚杆,由于钻爆台车自身设计的问题,锁脚锚杆锚固方向与设计求的半径方向不一致,锚杆实际倾角约为20°~30°,故部位越高偏差就越大。在洞顶部位根本打不了径向锚杆,不仅严重削弱了锚杆帮助钢支撑承载的作用,而且在重的洞顶部位形不成设计求的一定厚度的围岩承载圈。
3)钢支撑两侧锁脚锚杆的孔间距离甚小,约为20cm,而孔深又较大,这将降低锚杆抗拔力,甚至出现群锚效应。从现场来看,某些部位两侧的锚杆孔交汇在一起,加之上部钻孔方向与洞壁夹角较小,因此,钻孔过程中也会造成岩体松动,并形成少量掉块。
7、钢支撑破坏实例
橙子沟引水洞钢支撑不仅发生变形,也发生过破坏的实例。在桩号引1769m~1772m段曾出现过有两榀钢支撑顶拱两段被压垮,后来又重上两榀的情况。另外,白龙江立节水电站引水洞开挖洞径9m,发生过钢支撑以上洞顶坍塌,压坏12榀钢支撑,洞段长度约8m,塌方高度接近10m,引水洞全部被堵塞,采用灌浆在拱顶形成一个塌方体固结圈,然后再清挖塌方堆积体。锦屏一级运输洞、虎家崖引水洞均发生过钢支撑与岩壁之间虽然喷满混凝土,也被破坏的事故。
8、处理建议
(1)钢支撑(a)钢支撑接头布置在顶拱跨中位置是不合理的,建议将钢支撑分为奇数段,进行立设,就可从顶拱部位错开。另外,每榀间的接头均相互错开一定位置(如1m),也是有必的。(b)钢支撑紧跟掌子面设置,而其顶拱部位又暂留空腔,是造成变形的主外因和内因。因此,建议用混凝土喷满钢支撑与岩壁之间的所有空腔;或者采用临时措施浇注回填混凝土;或者在钢支撑体型附近喷成一定厚度(如1.5~2m厚,形似拱桥),其上方很高的塌方空腔留待后期混凝土回填;或者按规范[3]求调整钢支撑体型使其紧贴岩壁,然后挂网喷护一定的厚度即可。另外,钢支撑立设应与掌子面错开一定距离,如50cm~100cm左右。
(2)锁脚锚杆建议将锁脚锚杆与系统锚杆分开,在开挖出渣完毕后立即打系统锚杆,在拱顶形成一定厚度的围岩承载圈,然后再进行钢支撑的立设工作。
9、小结
钢支撑是在一定厚度的围岩承载圈形成之后,被动承受围岩荷载进行加固支护的一种工程手段,但由于设计或施工不当,其变形乃至破坏会时有发生。在此所讨论的橙子沟引水洞洞段采用钢支撑进行支护,在很大程度上是为了施工安全,但随之存在和产生的问题,以及安全问题,是值得重视的。

参考文献
[1]钱向东,陆晓敏等,白龙江橙子沟水电站工程引水隧洞稳定及支护结构优化研究报告。
[2]李晓晨等,白龙江橙子沟水电站引水隧洞工程监测月报(2009年第1期)。
[3]中华人民共和国国家经济贸易委员会,(DL/T518-2003),水电水利工程锚喷支护施工规范。
注本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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