白石輸水隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究與應(yīng)用

(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司清湖電廠，遼寧 開(kāi)原 112309)

1 工程概況

遼西北供水工程的建設(shè)可以保障遼西北各主要城市的用水安全，促進(jìn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置和合理使用，實(shí)現(xiàn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。遼西北供水工程二期白石供水4標(biāo)段，位于遼寧省朝陽(yáng)市朝陽(yáng)縣境內(nèi)，主體工程為白石隧洞工程和錦凌分水口工程，總長(zhǎng)約15.70km，主要工程包括主洞、支洞、錦凌分水口、金屬結(jié)構(gòu)安裝、道路、土地復(fù)墾以及相應(yīng)的臨時(shí)工程[1]。其中，白石隧洞(主洞)全長(zhǎng)15690m，成洞斷面尺寸為4.60m×5.25m。該隧洞施工條件差，圍巖破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，遇水變泥，極易出現(xiàn)坍塌滑層等現(xiàn)象。根據(jù)地層巖性以及相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)，白石隧洞采用新奧法施工，在隧洞洞體開(kāi)挖后主要采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架與錨桿作為初支手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形的有效控制。澆筑混凝土作為隧洞的二次襯砌，為支護(hù)結(jié)構(gòu)提供安全儲(chǔ)備。通過(guò)充分發(fā)揮圍巖的自承能力，使輸水隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成整體結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)支護(hù)方案往往源于經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，為了保證工程質(zhì)量和施工安全，在設(shè)計(jì)方面往往偏于保守。因此，本研究選取白石隧洞S22+106～S22+198Ⅳ級(jí)圍巖洞段進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，以期為同類型隧洞的施工設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是一種針對(duì)多因素、多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[2]，其主要優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)，獲得滿意的試驗(yàn)結(jié)果，可達(dá)到人力、物力和財(cái)力的有效節(jié)省[3]。本次研究基于輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)5個(gè)水平、5個(gè)因素的25次試驗(yàn)(其正交試驗(yàn)見(jiàn)表1)，其中的5個(gè)因素分別為噴層厚度(A)、錨桿數(shù)量(B)、錨桿長(zhǎng)度(C)、錨桿直徑(D)和錨桿間距(E)。

表1 正交試驗(yàn)

續(xù)表

3 優(yōu)化評(píng)定指標(biāo)

3.1 安全性指標(biāo)

根據(jù)地下洞室結(jié)構(gòu)圍巖安全性研究的相關(guān)成果[4-5]，圍巖安全程度由下式計(jì)算：

(1)

式中Ui——圍巖安全程度；

Umax——U的最大值；

s1——上導(dǎo)凈空收斂值，mm；

s2——下導(dǎo)凈空收斂值，mm；

h——拱頂沉降值，mm；

uL1——凈空收斂極限位移值，這里取100mm；

uL2——拱頂沉降極限位移值，這里取100mm。

對(duì)于圍巖安全性指標(biāo)，研究中利用Midas-GTS 有限元軟件，對(duì)研究洞段80m×20m×80m的區(qū)域建立三維有限元模型，按照上節(jié)設(shè)計(jì)的25中正交試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬試驗(yàn)，獲得各個(gè)方案的正交安全性指標(biāo)(見(jiàn)表2)。

3.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

研究中查閱了相關(guān)工程資料，并對(duì)原有的公式進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，獲得如下圍巖支護(hù)經(jīng)濟(jì)性成本函數(shù)[6]：

(2)

式中J——經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；

表2 正交試驗(yàn)安全性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

a——單位質(zhì)量錨桿造價(jià)，元；

b——單位厚度混凝土噴層造價(jià)，元；

c——每米支護(hù)鋼筋成本，元；

x1——噴層厚度，cm；

x2——錨桿數(shù)量，個(gè)；

x3——錨桿長(zhǎng)度，m；

x4——錨桿直徑，mm；

x5——縱向間距，m；

ρ——錨桿密度， g/cm3。

表3 正交試驗(yàn)支護(hù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，將經(jīng)濟(jì)性程度指標(biāo)設(shè)計(jì)為Vi，并用圍巖支護(hù)經(jīng)濟(jì)性成本與所有成本中的最大值表示經(jīng)濟(jì)性程度，即：Vi=J/Jmax。計(jì)算過(guò)程中使用的參數(shù)值，以當(dāng)前的市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，獲得正交試驗(yàn)方案支護(hù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)(見(jiàn)表3)。

3.3 綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)

在實(shí)際工程建設(shè)中，要獲得較高的安全系數(shù)，往往需要加大工程投入，因此，為了獲得最佳支護(hù)方案，本次研究中引入了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義式如下：

Hr=Ui×Vi

(3)

根據(jù)上述公式，計(jì)算獲取所有正交試驗(yàn)方案的綜合性指標(biāo)(見(jiàn)表4)。

表4 正交試驗(yàn)方案的綜合性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4 優(yōu)化結(jié)果極差分析

極差的定義為對(duì)特定影響因素進(jìn)行多水平試驗(yàn)結(jié)果的最大差值[7]，其計(jì)算公式如下：

R=maxKij-minKij

(4)

式中R——極差；

Kij——第i個(gè)水平下第j個(gè)因素試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的結(jié)果均值。

極差的大小順序可以有效反映不同影響因素的影響程度[8]，對(duì)本次研究而言，可以分析單一因素對(duì)優(yōu)化指標(biāo)的影響程度。

根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，對(duì)綜合性指標(biāo)的極差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 綜合性指標(biāo)極差分析結(jié)果

由表5計(jì)算結(jié)果可知，RE>RA>RD>RC>RB，因此，研究中選取的五個(gè)影響因素對(duì)輸水隧洞支護(hù)方案綜合性指標(biāo)的影響順序依次為錨桿縱向間距、混凝土噴層厚度、錨桿直徑、錨桿長(zhǎng)度、錨桿數(shù)量。從各因素的因素水平與綜合總指標(biāo)之間的關(guān)系可以看出，輸水隧洞圍巖支護(hù)綜合指標(biāo)會(huì)隨著噴層厚度、錨桿長(zhǎng)度和錨桿縱向間距的增大而增大；隨著錨桿數(shù)量的增加，輸水隧洞圍巖支護(hù)的綜合指標(biāo)會(huì)呈現(xiàn)出先升后降的變化特征；而輸水隧洞圍巖支護(hù)綜合指標(biāo)隨著錨桿直徑的增大而處于穩(wěn)定下降態(tài)勢(shì)。由于綜合性指標(biāo)越小方案越優(yōu)，因此，最佳方案為A1B3C1D5E1。在該方案下，圍巖支護(hù)體系中的噴射混凝土為C25混凝土，厚度10cm，錨桿數(shù)量11個(gè)、錨桿長(zhǎng)度1.50m、錨桿直徑26cm、錨桿縱向間距0.60mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案價(jià)格總和為3809.16元，相比4853.60元的原設(shè)計(jì)方案價(jià)格總和，可以節(jié)省費(fèi)用約22%，優(yōu)化效果十分顯著。

5 工程應(yīng)用效果分析

本次研究中，按照上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了縱向長(zhǎng)度為5m的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)樁號(hào)為S22+106～S22+111。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)監(jiān)測(cè)斷面上的上導(dǎo)收斂位移和拱頂沉降位移數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并繪制出位移曲線和變化速率曲線(見(jiàn)圖1和圖2)。由圖1可知，試驗(yàn)洞段上導(dǎo)凈空收斂的最終位移值為-12.30mm，拱頂沉降的最終位移值為-10.21mm，上述數(shù)值均遠(yuǎn)小于100mm的極限位移值。由圖2可知，在前15天，上導(dǎo)凈空收斂還是拱頂沉降變化速率較大，之后逐步趨于穩(wěn)定，說(shuō)明優(yōu)化方案具有良好的支護(hù)效果。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面位移曲線

圖2 監(jiān)測(cè)斷面位移速率曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以遼寧省遼西北供水工程二期白石隧洞建設(shè)工程為例，利用正交試驗(yàn)和極差分析方法，對(duì)輸水隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)合相關(guān)研究成果和研究洞段支護(hù)特點(diǎn)，提出正交試驗(yàn)的具體方案；基于圍巖安全性指標(biāo)和支護(hù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，提出了圍巖支護(hù)方案綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為支護(hù)方案優(yōu)化提供了理論支持；以綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算成果為依據(jù)，利用極差分析法獲得最佳支護(hù)方案，可以在保證安全性的前提下，節(jié)省22%的投資。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示優(yōu)化方案具有良好的支護(hù)效果，可在工程建設(shè)中推廣使用。