CN111814234A - 一种破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及破碎岩体泄洪隧洞开挖，属于隧洞开挖技术领域，包括如下步骤：数值模拟方法与模型构建、出口段下半洞开挖前计算模拟与监测反演分析、破碎岩体段预加固后再实施分部开挖过程计算模拟、衬砌支护与衬砌应力校核、上平段衬砌应力复核、出口泄槽应力复核、洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑等步骤，本发明已成功应用于涔天河水库扩建工程1#泄洪洞出口段施工中，其模型验算及综合加固处理措施具备典型的代表性，同时与传统大开挖方案相比较，经济效益显著，节约施工成本约2672万元，有效解决破碎岩体隧洞处理的技术难题，达到经济、快速、安全施工目标，加快了水利工程的安全施工进度。
Description
技术领域
本发明涉及破碎岩体泄洪隧洞开挖，属于隧洞开挖技术领域。
背景技术
目前常规的破碎岩体泄洪隧洞主要是采用明挖方案进行处理，未见通过建立大型三维计算模型进行现状反演与后续开挖、支护施工预测的施工先例，未见有在变形状态下采用综合加固措施的施工先例。本发明为破碎岩体隧洞施工提供了一种全新的处理方法，有效解决了破碎岩体条件下隧洞施工的方案稳定问题，同时也使得我国水电工程破碎岩体泄洪隧洞施工处理技术处于国际先进水平。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法，包括如下步骤：S1:数值模拟方法与模型构建：数值模拟基本原理：本以岩土弹塑性理论为基础，采用摩尔-库伦屈服准则和关联流动法则，基于有限差分法，进行应力、变形计算以及开挖、支护模拟；计算模型：通过对泄洪洞出口段工程地质条件的分析，依据洞室布置方案，建立1#泄洪洞出口三维网格模型；模型可以对1#泄洪洞的施工支洞、放空洞及放空洞调压井、放空洞施工支洞进行模拟计算，开挖边坡、地形地貌、地层岩性及主要控制性结构面进行模拟；S2:出口段下半洞开挖前计算模拟与监测反演分析：初始地应力场分析：基于监测资料分析反馈出口段岩土体物理力学参数；岩土体开挖总变形分为两部分：第一部分，为开挖后瞬间释放荷载产生的瞬间弹塑性变形；第二部分，为开挖产生瞬间变形后，岩土体后续粘性荷载继续缓慢释放产生的残余变形；边坡分级开挖模拟：以初始地应力计算结果为前提，进行前期洞室、边坡开挖计算，模拟出口段真实的开挖、施工支护顺序；泄洪洞管棚预支护及出口段开挖模拟计算：形成237m平台后，对出口段上半洞进行开挖，先管棚后开挖，再实施喷锚支护及锚筋桩，对该过程实现过程模拟；
S3:破碎岩体段预加固后再实施分部开挖过程计算模拟：开挖前预加固措施及围岩土体力学参数反演：鉴于出口段在开挖前虽然能保持自稳，但安全储备极低。边坡及洞室边墙部位出现裂缝及较大拉应力现状，使得出口段继续下切开挖存在极大的风险。因此，设计变更采取洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固、出口段坡脚抗滑桩阻滑、出口边坡截水防水处理及安全监测等综合加固措施；下半洞分级开挖模拟：每次开挖后，获取新的监测数据，基于这些监测数据先进行岩土力学参数反演，从而获得更为精准的岩土材料参数，用于下一层开挖情况下的洞口围岩体的稳定预测计算；
S4:衬砌支护与衬砌应力校核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析出口段衬砌各断面最大主应力、最小主应力；
S5:上平段衬砌应力复核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析上平段衬砌各断面最大主应力、最小主应力；
S6:出口泄槽应力复核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析出口泄槽各断面最大主应力、最小主应力；
S7:洞身围岩超前固结灌浆：对破碎岩体洞段侧壁围岩及底板进行固结灌浆，用于增强破碎岩体洞段围岩整体性，抑制洞室侧壁进一步变形；
S8:增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固方法：在洞身变形区域内增加I18钢复拱支撑，间距0.5m，挂网喷混凝土；出口洞身之间两侧边墙增设L＝12m长锚筋桩进行锚固；洞身右侧墙之间锚筋桩钻孔如果进入1#泄洪洞右侧施工支洞；各层锚筋桩端头采用Ⅰ14 工字钢连接，与原有钢拱架焊接形成整体，挂网喷混凝土覆盖；预应力锚杆：为了抑制洞室侧壁进一步变形，对破碎岩体区域右侧壁进行加强锚固，在洞室右侧壁布置预应力锚杆。
岩体的应力-应变关系基本原理：
对于岩块视为等效连续介质，以张量形式表示的岩石的弹性本构关系为：
其中
和
分别是岩石弹性和柔度系数张量，为四阶张量。如果岩石看作是极端各向异性材料，则它们各有8个常数。对于各向同性材料，只有2个独立常数。
用E～ν表示的岩石各向同性广义HOOKE定律张量表达式：
E、ν分别是岩石弹性模量和泊松比。
Mohr屈服理论的一般表达式为：
F＝|τ|-f(σn)
以线性形式表示的Mohr-Coulomb准则表示为：
拉应力为正，压应力为负，因此σn前面取“－”号，c、
分别是凝聚力和内摩擦角；
以主应力形式表示：
σ1、σ2、σ3分别是主应力，但不考虑其大小排列。
以应力不变量表示：
式中
J2即为偏应力张量第二不变量；θ为罗德角。
假如已知岩石的抗拉、抗压强度Rt、Rc，则有：
式中az＝Rt/Rc
以抗拉抗压强度表示的Mohr-Coulomb准则为：
与现有技术相比，发明的有益效果是：本发明已成功应用于涔天河水库扩建工程1#泄洪洞出口段施工中，其模型验算及综合加固处理措施具备典型的代表性，同时与传统大开挖方案相比较，经济效益显著，节约施工成本约2672万元，有效解决破碎岩体隧洞处理的技术难题，达到经济、快速、安全施工目标，加快了水利工程的安全施工进度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明Mohr圆及其包络线示意图。
图2是本发明Mohr-Coulomb准则示意图。
图3是本发明π平面主应力空间中的Mohr-Coulomb准则屈服面示意图。
图4是本发明中三维网格模型结构示意图。
图5是本发明平行于洞轴线方向初始地应力最大主应力图。
图6是本发明垂直于洞轴线方向竖直剖面初始地应力最小主应力图。
图7是本发明平行于洞轴线y方向初始地应力图。
图8是本发明z方向初始地应力图。
图9是本发明#560初始最大应力图。
图10是本发明#560初始最小地应力图。
图11是本发明中第一级边坡273m开挖之后的位移增量图。
图12是本发明中第二级边坡261m开挖之后位移增量图图。
图13是本发明中第三级边坡250m开挖之后的位移增量图图。
图14是本发明中第四级边坡(至洞口237m)开挖之后的位移增量图。
图15是本发明中第四级边坡至洞口237m开挖之后的位移矢量图。
图16是本发明中577#剖面位移增量图。
图17是本发明中577#剖面位移矢量图。
图18是本发明中570#剖面位移增量图。
图19是本发明中570#剖面新增塑性屈服区图。
图20是本发明中560#剖面位移矢量图。
图21是本发明中550#剖面位移矢量图。
图22是本发明中540#剖面位移矢量图。
图23是本发明中530#剖面位移矢量图。
图24是本发明中510#剖面位移矢量图。
图25是本发明中洞轴线方向位移矢量图。
图26是本发明中出口段上半洞开挖完后进口位置塑性屈服区图。
图27是本发明中出口段上半洞开挖完后出口边坡塑性屈服区图。
图28是本发明中第一级开挖后530#位移矢量图。
图29是本发明中第二级开挖后540#位移矢量图。
图30是本发明中第三级开挖后550#位移矢量图。
图31是本发明中第三级开挖后560#位移矢量图。
图32是本发明中第四级开挖后570#位移矢量图。
图33是本发明中第五级开挖后570#位移矢量图。
图34是本发明中第六级开挖后590#位移矢量图。
图35是本发明中明槽全部开挖后570#位移矢量图。
图36是本发明中明槽开挖后洞轴线位移矢量图图。
图37是本发明中出口明槽全部开挖后出口边坡塑性区图图。
图38是本发明中泄槽段地基开挖现场施工图。
图39是本发明中570#最大主应力图。
图40是本发明中570#最小主应力图。
图41是本发明中上平段510#最大主应力图。
图42是本发明中上平段510#最小主应力图。
图43是本发明中出口泄槽590#最大主应力图。
图44是本发明中出口泄槽590#最小主应力图。
图45是本发明中洞身加固断面图。
图46是本发明中右侧墙预应力锚杆布置立面图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明,实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
涔天河水库扩建工程1#泄洪洞出口开展的“破碎岩体泄洪隧洞施工处理关键技术研究”，旨在从理论研究至洞内抑制变形(增加钢复拱、系统锚筋桩、预应力锚杆)、增加围岩稳定(超前固结灌浆)及抑制山体变形(抗滑桩、钻孔灌注桩)等一整套破碎岩体情况下经济可行的综合加固处理方案，达到经济、快速、安全施工目标，真正地实现科学技术转化为生产力，保证施工质量与安全、确保施工工期的目的。
请参阅图1-46所示的一种破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法：
技术原理：
通过开展边坡稳定与隧洞施工全过程数值仿真分析，揭示边坡和隧洞围岩的变形发展特征，实时监测反馈分析，超前预测，为隧洞开挖和加固提供了重要指导。
研究确定预留核心土、分层分区开挖和小间距衬砌跟进的施工原则，采用洞身围岩超前固结灌浆、钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固，坡脚抗滑桩、边坡截水防水处理及安全监测等综合处理措施，有效控制了围岩变形，保证了边坡稳定。
1数值模拟方法与模型构建
1.1数值模拟基本原理
本研究以岩土弹塑性理论为基础，采用摩尔-库伦屈服准则和关联流动法则，基于有限差分法，进行应力、变形计算以及开挖、支护模拟。
岩体的应力-应变关系基本原理：
对于岩块视为等效连续介质，以张量形式表示的岩石的弹性本构关系为：
其中
和
分别是岩石弹性和柔度系数张量，为四阶张量。如果岩石看作是极端各向异性材料，则它们各有8个常数。对于各向同性材料，只有2个独立常数。
用E～ν表示的岩石各向同性广义HOOKE定律张量表达式：
E、ν分别是岩石弹性模量和泊松比。
屈服准则表示在复杂应力状态下材料开始进入屈服的阶段，它的作用是控制塑性变形的开始阶段。屈服条件在主应力空间中为屈服面方程。如果介质某点的应力状态位于屈服面之内，则该点处于弹性阶段；如果在主应力空间中某点的应力状态在屈服面之上，则介质在该点已进入弹塑性状态，这时介质在该点一般既有弹性变形，又有塑性变形。
对于岩石类材料，工程上常用的屈服准则有Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则以及Zienkiewicz-Pande准则。应用最为广泛的为Mohr-Coulomb准则。
Mohr屈服理论的一般表达式为：
F＝|τ|-f(σn)
用图表示见图1。
以线性形式表示的Mohr-Coulomb准则表示为：
说明：以拉应力为正，压应力为负，因此σn前面取“－”号，c、
分别是凝聚力和内摩擦角。图示见图2。
Mohr-Coulomb准则的不同表示方式：
以主应力形式表示：
σ1、σ2、σ3分别是主应力，但不考虑其大小排列。
以应力不变量表示：
式中
J2即为偏应力张量第二不变量；θ为罗德角。
假如已知岩石的抗拉、抗压强度Rt、Rc，则有：
式中az＝Rt/Rc。
以抗拉抗压强度表示的Mohr-Coulomb准则为：
在主应力空间中，Mohr-Coulomb准则屈服面见图3。
显然，在π平面或偏平面上，M-C准则是不等边的六角锥，锥顶分别代表抗拉、抗压强度。
由于锥点是尖角，其偏导数不连续，因此在锥点位置求偏导时需要特殊处理。
除了在π平面或偏平面上有尖角外，在拉应力区的三向同时受拉情况，屈服面是尖点。
在拉应力区，在M-C准则直线和水平轴(即剪应力为0轴)的交点值不等于单轴抗拉强度值，其值比单轴抗拉强度值大。
有限差分法采用通用型商业软件FLAC3D，它能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。
三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法，非常适合于模拟大变形问题。三维快速拉格朗日分析法采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。
该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含10种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相藕合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。
1.2计算模型
通过对泄洪洞出口段工程地质条件的分析，依据洞室布置方案，建立1#泄洪洞出口三维网格模型。模型可以对1#泄洪洞的施工支洞、放空洞(原水库的引水发电洞)及放空洞调压井、放空洞施工支洞进行模拟计算，开挖边坡、地形地貌、地层岩性及主要控制性结构面进行模拟。
网格模型范围如下：(a)模型外侧取自洞口往外80～100m，山体内侧取自洞口距离约 80m；(b)两侧分布距离洞室中心约60m～70m；(c)模型最低高程取200m。
1#泄洪洞出口三维网格模型，采用实体单元进行模拟，主要采用六面体单元和部分退化的四面体单元剖分，未开挖的模型，共划分单元338802个，结点98436个，内部结构和材料分区见图4。
2出口段下半洞开挖前计算模拟与监测反演分析
2.1初始地应力场分析
基于监测资料分析反馈出口段岩土体物理力学参数。岩土体开挖总变形分为两部分：第一部分，为开挖后瞬间释放荷载产生的瞬间弹塑性变形(占总变形的绝大部分)；第二部分，为开挖产生瞬间变形后，岩土体后续粘性荷载继续缓慢释放产生的残余变形(所占比例与岩土体质量等级相关)。
出口段变形监测始于1#洞上半洞开挖之后，监测所得变形为残余荷载继续释放产生(开挖荷载释放了绝大部分后)。
根据所提供应力及变形监测资料，通过不断调整物理力学参数，计算开挖释放荷载引起的总变形，再根据残余变形与总变形的比例，反推出口段岩土体物理力学参数。
根据分析确定的岩体物理力学参数，对泄洪洞出口边坡的初始地应力场进行模拟，作为开挖应力计算的初始条件，计算模型网格的底部、侧边均采用法向约束，重力加速度取 9.8m/s2，由于该区域的构造应力水平不高，因而采用重力场作为其初始应力场。通过计算，得到了边坡的初始地应力分布。
从应力图上看，边坡上的应力水平不高，最大主应力约为2.43MPa，但从图中可以看出即将开挖1#泄洪洞的两侧、洞内侧与外侧之间应力水平有较大的差异。见图5至图10。
2.2边坡分级开挖模拟
以初始地应力计算结果为前提，进行前期洞室、边坡开挖计算，模拟出口段真实的开挖、施工支护顺序，其顺序为：放空洞施工支洞→泄洪洞平直段→出口边坡分级开挖(273m →261m→250m→237m)→1#洞施工支洞→1#洞上半洞。
每一个马道或台阶的开挖为一次开挖计算步，从273m台阶开始，分4个台阶，开挖至237m平台，对边坡开挖逐次进行计算，得到最后的计算结果。在边坡开挖模拟中，考虑边坡的支护效应及边坡开挖荷载释放对其变形的影响。
第一级边坡开挖至273m高程后的位移如图11所示，其最大位移约为4.7mm，边坡向上发生轻微抬动。
第二级边坡开挖至261m高程后的位移如图12所示，其最大位移约为8.6mm，边坡向上发生轻微抬动。
第三级边坡开挖至250m高程后的位移如图13所示，其最大位移约为9.7mm，边坡向上发生轻微抬动。
第四级边坡开挖至237m高程后的位移如图及矢量图14、图15所示，其最大位移约为 9.8mm，边坡及洞口向上发生抬动。
2.3泄洪洞管棚预支护及出口段开挖模拟计算
形成237m平台后，对出口段上半洞进行开挖，先管棚后开挖，再实施喷锚支护及锚筋桩。对该过程实现过程模拟，过程如图16至图27。
从图26可以看出，洞室左边墙靠近出口处上有呈40°倾斜的塑性屈服区，这与现场观测到的裂缝状况一致，从图27可以看出，边坡上出现了簸箕状连续的塑性破坏区，开挖边坡顶部也出现了明显的塑性破坏，均印证了现场裂缝的发展情况，很大程度上说明计算采用的物理力学参数具有一定准确性。
2.4分析结果
由于上半洞开挖引起的卸荷作用，造成洞顶围岩整体下沉且向坡外运动，这是造成洞顶边坡形成“簸箕”状连续性裂缝的原因，洞顶管棚区域出现了较大的拉应力，在喷锚、钢拱等强支撑作用下，出口段在开挖前能保持自稳，但安全储备极低，需要采取更有力的加固措施，防止洞室进一步下切产生的荷载释放对围岩造成破坏，并防止雨水浸润进一步降低边坡内岩土体力学参数而导致失稳。
3破碎岩体段预加固后再实施分部开挖过程计算模拟
3.1开挖前预加固措施及围岩土体力学参数反演
鉴于出口段在开挖前虽然能保持自稳，但安全储备极低。边坡及洞室边墙部位出现裂缝及较大拉应力现状，使得出口段继续下切开挖存在极大的风险。因此，设计变更采取洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固、出口段坡脚抗滑桩阻滑、出口边坡截水防水处理及安全监测等综合加固措施。
经过对监测数据的全面分析和全过程反演分析可知，灌浆对围岩力学参数提高效果明显，达10％左右。后续正常工况计算分析时，均采用此反演结果而进行计算。
3.2下半洞分级开挖模拟
每次开挖后，获取新的监测数据，基于这些监测数据先进行岩土力学参数反演，从而获得更为精准的岩土材料参数，用于下一层开挖情况下的洞口围岩体的稳定预测计算。在新的加固措施施工完毕后，拟对洞身及洞口明挖段实施8级分步开挖，各级开挖的高程分别为：241m、238m、235m、232m、229m、226m、223m、221.5m。过程分析见图28至 38。
3.3分析结果
1#泄洪洞出口洞身段下切开挖全部完成以后，在前期加固措施的作用下，洞身570#断面能基本保持整体稳定，但该断面顶部存在开裂的可能。
明渠段开挖后该断面最大位移增量约为9.7mm，位于开挖断面底部向上产生变形，两侧边坡朝开挖面发生变形，但在抗滑桩作用下，其变形较小，抗滑桩支撑效果明显，在前期加固措施的作用下，泄槽段山体能基本保持整体稳定。
洞身右侧边墙监测结果与变形计算结果吻合趋势良好，总体上预计了洞内的变形量，开挖完后，预计变形依然有增大的趋势，但从应力分析的结果可以看出，衬砌施工完后，其内部应力保持在安全极限内(在不考虑强降雨等复杂工况下)。边坡变形监测与计算结果对比如图所示，两者变形趋势吻合较好，在强加固支护措施的作用下，出口右侧边坡与洞脸仰坡都能够保持稳定。
4衬砌支护与衬砌应力校核
下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，出口段衬砌各断面(570#)最大主应力、最小主应力分别如图39至图40所示。
5上平段衬砌应力复核
下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，上平段衬砌各断面(510#)最大主应力、最小主应力分别如图41至图42所示。
6出口泄槽应力复核
下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，出口泄槽各断面(590#)最大主应力、最小主应力分别如图43至图44所示。
由于采用先全部开挖完再进行永久衬砌支护和泄槽挡墙施工，因此围岩开挖荷载已基本释放完毕，仅剩一小部分剩余荷载作用于永久支护措施上，各断面应力都处于比较低的水平，具体应力值见上述各图，可为设计院复核衬砌及泄槽挡墙配筋提供参考。
7洞身围岩超前固结灌浆
为了增强破碎岩体洞段围岩整体性，抑制洞室侧壁进一步变形，对破碎岩体洞段侧壁围岩及底板进行固结灌浆，具体措施如下：
(1)侧壁无盖重灌浆
1#泄洪洞0+522.5～0+570.5段已形成的左右侧壁设置三排固结灌浆孔，固灌孔间距 3m，固结灌浆孔深度10～15m，按水平布置，方位角与锚筋桩方位角相同，灌浆压力0.1～0.3MPa。
(2)侧壁及底板超前灌浆
1#泄洪洞0+518.5-0+578.5段现状开挖面以下左右侧壁及底板各布置5排固结灌浆孔，共315孔，固灌孔间距3m；侧壁固结灌浆范围为开挖面以外10m，灌浆深度6.8～ 13m，分1至2段(6m一段)，底板灌浆深度6m，一段灌注，灌浆压力0.5～1.5MPa。
8增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固技术
(1)在洞身变形区域内增加I18钢复拱支撑，间距0.5m，挂网喷混凝土；
(2)出口洞身0+521-0+575之间两侧边墙增设L＝12m长锚筋桩81进行锚固，锚筋桩81由3根直径28mm钢筋焊接，锚筋桩俯角10度，间排距3m，共计5排；
(3)洞身右侧墙0+533-0+545之间锚筋桩81钻孔如果进入1#泄洪洞右侧施工支洞82，则要求锚筋桩81端头伸入施工支洞82的长度为30cm、全孔注浆，各锚筋桩端头满缝焊接Ⅰ14工字钢进行对锚。
(4)各层锚筋桩端头采用Ⅰ14工字钢连接，与原有钢拱架焊接形成整体，挂网喷混凝土覆盖。
(5)预应力锚杆
为了抑制洞室侧壁进一步变形，对破碎岩体区域右侧壁进行加强锚固，在洞室右侧壁布置预应力锚杆83，具体措施如下：
①右侧壁0+534.5～0+576.5段布置三排共计41根预应力锚杆83，预应力锚杆83高度方向间距3m，顺水流向间距3m。
②预应力锚杆83采用直径32mm的精轧螺纹钢，锚杆入岩有效长度21m，俯角20 度，方位角与锚筋桩方位角相同(偏向上游20度)。
③预应力锚杆83设计吨位50T，超张拉吨位55T，预应力钢筋强度标准值 fptk＝1080N/mm2。
④预应力锚索测力计设置：0+546.5桩号三根锚杆各设一支，0+5615桩号处第一根设一支，0+573.5桩号处第一根设一支，锚索测力计型号为BGK4900-600KN(振弦式)。
1#泄洪洞为城门洞型，全长630m，设计纵坡6.25％；经本阶段减压模式试验验证，洞身采用“龙落尾”布置形式，最大断面尺寸为12.4×19m(宽×高)。1#泄洪洞出口明渠位于⒂、⒃冲沟之间，地形较陡，岩层走向与洞线夹角42°。岩体呈强风化状，节理裂隙发育，岩体破碎，完整性差，通过坡面的断层主要有F106、F244、F6、F245、F243和 F231等6条，同时带有一定的浅埋偏压特性，特别是1#泄洪洞出口的最小埋深为仅为 2.4m。右侧边坡为顺向坡，受节理裂隙、断层切割后，存在较为突出顺层滑动问题。
出口段围岩岩体十分破碎，为镶嵌碎裂结构和散体结构，沿节理、断层等构造面上多夹泥或附泥。围岩属Ⅴ类，带有一定的浅埋偏压特性，特别是1#泄洪洞出口的最小埋深为仅为2.4m。2015年11月上旬持续降雨，洞顶山体及洞口围岩发生明显变形，多处出现裂缝，考虑到该洞段地质条件较差，开挖断面大，受地形偏压影响，洞室向下开挖可能加剧围岩变形，影响右侧边坡及洞室稳定。根据现场实际情况及多次专题研究形成的意见，进行《破碎岩体泄洪隧洞施工处理关键技术研究》，相继采取了以下处理方法：
1、通过建立“1#泄洪洞破碎岩体段数值模型”，进行仿真计算，通过数据模拟与现场实际情况相互验证，形成演算成果指导施工、施工验证演算成果的正确性，成功安全的解决了破碎岩体泄洪隧洞施工的技术难题。
2、1#泄洪洞出口破碎岩体段及出口采取洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固、出口段坡脚抗滑桩阻滑、出口边坡截水防水处理及安全监测等综合处理措施，效果显著，下半洞采取分层、分段开挖，衬砌跟进的施工方法，达到了在隧洞破碎岩体条件下的安全施工，有效保证1#泄洪洞出口破碎岩体段的洞身及滑坡体稳定。
Claims (3)
1.一种破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:数值模拟方法与模型构建：
数值模拟基本原理：本以岩土弹塑性理论为基础，采用摩尔-库伦屈服准则和关联流动法则，基于有限差分法，进行应力、变形计算以及开挖、支护模拟；计算模型：通过对泄洪洞出口段工程地质条件的分析，依据洞室布置方案，建立1#泄洪洞出口三维网格模型；模型可以对1#泄洪洞的施工支洞、放空洞及放空洞调压井、放空洞施工支洞进行模拟计算，开挖边坡、地形地貌、地层岩性及主要控制性结构面进行模拟；
S2:出口段下半洞开挖前计算模拟与监测反演分析：初始地应力场分析：基于监测资料分析反馈出口段岩土体物理力学参数；岩土体开挖总变形分为两部分：第一部分，为开挖后瞬间释放荷载产生的瞬间弹塑性变形；第二部分，为开挖产生瞬间变形后，岩土体后续粘性荷载继续缓慢释放产生的残余变形；边坡分级开挖模拟：以初始地应力计算结果为前提，进行前期洞室、边坡开挖计算，模拟出口段真实的开挖、施工支护顺序；泄洪洞管棚预支护及出口段开挖模拟计算：形成237m平台后，对出口段上半洞进行开挖，先管棚后开挖，再实施喷锚支护及锚筋桩，对该过程实现过程模拟；
S3:破碎岩体段预加固后再实施分部开挖过程计算模拟：开挖前预加固措施及围岩土体力学参数反演：鉴于出口段在开挖前虽然能保持自稳，但安全储备极低。边坡及洞室边墙部位出现裂缝及较大拉应力现状，使得出口段继续下切开挖存在极大的风险。因此，设计变更采取洞身围岩超前固结灌浆、增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固、出口段坡脚抗滑桩阻滑、出口边坡截水防水处理及安全监测等综合加固措施；下半洞分级开挖模拟：每次开挖后，获取新的监测数据，基于这些监测数据先进行岩土力学参数反演，从而获得更为精准的岩土材料参数，用于下一层开挖情况下的洞口围岩体的稳定预测计算；
S4:衬砌支护与衬砌应力校核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析出口段衬砌各断面最大主应力、最小主应力；
S5:上平段衬砌应力复核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析上平段衬砌各断面最大主应力、最小主应力；
S6:出口泄槽应力复核：下半洞开挖完后，实施1#泄洪洞衬砌施工及泄槽挡墙混凝土浇筑施工，施工完后，分析出口泄槽各断面最大主应力、最小主应力；
S7:洞身围岩超前固结灌浆：对破碎岩体洞段侧壁围岩及底板进行固结灌浆，用于增强破碎岩体洞段围岩整体性，抑制洞室侧壁进一步变形；
S8:增加钢复拱支撑、侧墙二次锚杆与锚筋桩加固方法：在洞身变形区域内增加I18钢复拱支撑，间距0.5m，挂网喷混凝土；出口洞身之间两侧边墙增设L＝12m长锚筋桩进行锚固；洞身右侧墙之间锚筋桩钻孔如果进入1#泄洪洞右侧施工支洞；各层锚筋桩端头采用Ⅰ14工字钢连接，与原有钢拱架焊接形成整体，挂网喷混凝土覆盖；预应力锚杆：为了抑制洞室侧壁进一步变形，对破碎岩体区域右侧壁进行加强锚固，在洞室右侧壁布置预应力锚杆。
2.根据权利要求1所述的破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法，其特征在于：岩体的应力-应变关系基本原理：
对于岩块视为等效连续介质，以张量形式表示的岩石的弹性本构关系为：
其中
和
分别是岩石弹性和柔度系数张量，为四阶张量。如果岩石看作是极端各向异性材料，则它们各有8个常数。对于各向同性材料，只有2个独立常数。
用E～v表示的岩石各向同性广义HOOKE定律张量表达式：
E、v分别是岩石弹性模量和泊松比。
3.根据权利要求1所述的破碎岩体泄洪隧洞施工处理的方法，其特征在于，Mohr屈服理论的一般表达式为：
F＝|τ|-f(σn)
以线性形式表示的Mohr-Coulomb准则表示为：
拉应力为正，压应力为负，因此σn前面取“－”号，c、
分别是凝聚力和内摩擦角。以主应力形式表示：
σ1、σ2、σ3分别是主应力，但不考虑其大小排列。
以应力不变量表示：
式中
J2即为偏应力张量第二不变量；θ为罗德角。
假如已知岩石的抗拉、抗压强度Rt、Rc，则有：
式中az＝Rt/Rc
以抗拉抗压强度表示的Mohr-Coulomb准则为：
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