復雜地質(zhì)條件下水工隧洞的開挖與支護模擬

郝立憲

（寶雞峽引渭灌溉管理局興平總站配水站 陜西 興平 713100）

目前，國內(nèi)外正大規(guī)模的進行水利工程項目的建設(shè)，一大批的水電站、供水工程、農(nóng)田灌溉工程正在施工實施。在這些項目的實施過程中，往往由于施工導流或輸水的需求而需要用到水工隧洞這種水電工程中常見的建筑物型式。但是由于受水利工程樞紐布置及場地的限制，水工隧洞的洞線選擇受到限制，水工隧洞常常需要穿過各種不良的地質(zhì)段，如軟弱夾層、斷層及破碎帶等。這些不良地質(zhì)段通常是制約整個工程進度、制約隧洞施工工期以及工程安全的關(guān)鍵所在，也是影響工程運行期運行安全的關(guān)鍵。工程中對于這些不良的地質(zhì)條件，常需對隧洞采取各種加固措施，如錨固支護、增加襯砌厚度等，這些支護手段及支護時機是影響工程安全、投資的核心所在。目前，隧洞的施工常采用新奧法施工，在此種施工方法下，隧洞開挖后立即進行支護，隧洞的初期支護是其最終襯砌的一部分。這種施工方法與傳統(tǒng)的礦山法施工的主要區(qū)別在于礦山法施工是將初期支護作為臨時的設(shè)施，在襯砌完成后進行拆除，而新奧法主要是采用錨桿、掛網(wǎng)噴射混凝土的方式，將隧洞周圍圍巖與噴射支護形成一個統(tǒng)一的受力體，達到共同受力、共同變形的目的。

對于隧洞的支護形式設(shè)計，目前主要依靠工程類比的方法確立初步的支護方案，同時結(jié)合施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，以便適時的調(diào)整支護方案。隨著數(shù)值分析理論以及各種巖土體本構(gòu)的發(fā)展，采用各種數(shù)值分析手段對隧洞的開挖過程及支護形式進行模擬分析也得到廣泛的應(yīng)用，如有限單元法、有限差分等。本文以云南省某供水工程為例，采用有限元軟件SIGMA/W對該隧洞的施工過程及支護方式進行模擬研究，旨在論證該工程支護方式的合理、可靠性。

1 隧洞開挖與支護模擬的基本理論

本文采用有限元軟件SIGMA/W對隧洞開挖過程及支護進行應(yīng)力變形分析。SIGMA/W是解決二維平面應(yīng)變或軸對稱問題的方法，采用小變形或小應(yīng)變理論解決此類問題。SIGMA/W中對于一個給定的時間增量，有限元方程表示如下：

式中，[B]——應(yīng)變-位移矩陣；

[C]——本構(gòu)關(guān)系矩陣；

｛a｝——節(jié)點增量的x、y位移列向量；

〈N〉——插值函數(shù)的行向量；

A——沿單元邊界的面積；

v——單元體積；

b——單位體力強度；

p——增加的表面壓強；

很多學者對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的概念進行了內(nèi)涵闡釋和溯源追蹤。目前關(guān)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育所形成的共識是指學生充分運用其所掌握的知識、技能、信息和機會等資源，以創(chuàng)新的思維實現(xiàn)目標，從而達到培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展素質(zhì)的目的。但其中仍然存在著很多需要改進的地方，包括高校、社區(qū)、企業(yè)、學生、教師等在內(nèi)的各方行動主體對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)仍然存在認識不一致、認知不全面的誤區(qū)和偏差，如認為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)僅是為了應(yīng)對就業(yè)壓力的權(quán)益之舉，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)僅是社區(qū)短期培訓或是高校就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導中心的職責，等等。

｛Fn｝——集中節(jié)點增加荷載。

對于二維平面應(yīng)變問題，認為所有的單元都是單位厚度，對常單元厚度t，上述方程可寫為：

有限元方程的簡化形式為：

式中，[K]——剛度矩陣，[K]=tA∫[B]T[C][B]dA；

｛a｝——節(jié)點位移增量；

｛F｝——施加的節(jié)點力，由三部分組成；

｛Fb｝——體積力增量；

｛Fn｝——節(jié)點集中力增量。

對于每個時間增量步求解上述有限元方程，得到位移增量，并求解相應(yīng)的增量應(yīng)力和應(yīng)變，把從第一個增量步以來的增量累加起來，就可得到總應(yīng)力及變形。

隧洞錨桿支護采用SIGMA/W中桿單元模擬，通過如下幾個參數(shù)來模擬錨桿的加固作用：彈性模量（E-Modulus）、橫截面面積（Area）、起作用時間步（Active Step）、預(yù)應(yīng)力（Pre-force）、施加預(yù)應(yīng)力時間步（App.Step=step toapply pre-force）等。

2 工程概況

云南省昆明市某引水供水工程是該省重點工程項目，其中Ⅲ標段隧洞地處于云南省昆明市祿勸縣境內(nèi)。隧洞全長1286.106m，海拔高度2000m以上，出口段埋深10m～30m，屬淺埋隧洞。根據(jù)圖紙，原設(shè)計Ⅴ類圍巖長度165m，在實際開挖過程中，全部為全風化的板泥巖，節(jié)理發(fā)育并切割成碎石，節(jié)理縫有土填充，從其石質(zhì)分析尚不夠Ⅴ類圍巖的標準，屬于不良地質(zhì)地段。根據(jù)圖紙設(shè)計，Ⅴ類圍巖的開挖無超前預(yù)支護，光面爆破，開挖后支護采用2m錨桿間距1.5m梅花形布置、拱部掛φ6鋼筋網(wǎng)、噴C25砼厚8cm，邊墻素噴C25砼8 cm。但是在實際施工過程中，鑒于圍巖情況，原設(shè)計的支護方案不能保證施工安全。對此，必須對支護方案進行調(diào)整，采用鋼支撐掛網(wǎng)噴砼的強支護方案。鋼格柵間距洞口10m內(nèi)每0.5m一榀，其它地段間距為0.5m～1.0m，鋼格柵定位采用Φ22徑向錨桿，錨桿長2m，每榀在墻腳、拱腳和拱腰各設(shè)一根，格柵間采用Φ22鋼筋連接，間距0.5m，格柵背后掛鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距2.5cm×2.5cm，最后噴C25砼厚15cm。

表1 材料計算參數(shù)表

圖1 隧洞支護及襯砌示意圖

圖2 計算模型示意圖

圖3 兩種工況下第一步開挖后水平及豎向位移云圖

圖4 兩種工況下第二步開挖后水平及豎向位移云圖

3 有限元模型及計算結(jié)果

3.1 計算參數(shù)及模型

本例中隧洞為城門洞型無壓輸水隧洞，洞寬為2m，洞高為3.5m。模型計算范圍取為：隧洞左右兩側(cè)取10倍的洞寬，洞頂以上取至原始地面（設(shè)隧洞埋深為最大值30m），洞底以下取1倍的洞高。隧洞圍巖在開挖過程中可能產(chǎn)生塑性變形，因此采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則采用莫爾庫倫準則；噴射混凝土剛度較大，支護后變形較小，因此采用彈性模型。計算兩種不同的工況：①原設(shè)計的開挖支護方案，即深2mΦ22錨桿間距1.5m梅花形布置+8cm厚C25砼噴護；②施工改進方案，即2mΦ22錨桿間距1.5m梅花形布置+15cm厚C25砼噴護。計算中假定分兩步開挖和支護，首先挖除拱頂部分同時打入錨桿并噴射混凝土，在上層施工完成后再開始挖除以下部分，打入錨桿并噴射混凝土。各種材料計算參數(shù)如表1所示。

3.2 計算結(jié)果

計算中首先進行原位初始地應(yīng)力場分析，此時隧洞未開挖，整個斷面均為圍巖，計算出的豎向地應(yīng)力場呈三角形分布。在初始地應(yīng)力場計算結(jié)果的基礎(chǔ)上進行第一步的開挖計算，選擇Load/Deformation即加載變形分析類型，挖除拱頂?shù)膸r石，包含即將襯砌部分，同時激活拱頂?shù)?根錨桿以及襯砌層的混凝土。提取開挖第一層后的隧洞水平向及豎直向的位移，如圖3所示。

在完成拱頂?shù)拈_挖后緊接著模擬直墻段的開挖與支護，與第一步的開挖支護模擬過程相同，首先移除隧洞直墻段的巖石，包含即將襯砌部分，同時激活直墻段的2根錨桿以及襯砌層的混凝土。提取開挖支護完成后的隧洞水平向及豎直向的位移，如圖4所示。

4 結(jié)論與討論

從上述計算結(jié)果可以看出，原設(shè)計支護方案在第一步開挖結(jié)束后，其水平位移發(fā)生在開挖面拱腳下側(cè)，最大位移0.14mm，兩側(cè)呈對稱分布。拱頂部位置左側(cè)位移為正，右側(cè)位移為負；開挖面兩側(cè)邊墻左側(cè)位移為負，右側(cè)位移為正；開挖面以下左側(cè)位移為正，右側(cè)位移為負；改進后方案的水平位移與原設(shè)計方案位移分布規(guī)律一致，水平位移最大值相當，均為0.14mm。第一步開挖后，原設(shè)計支護方案的豎向位移呈現(xiàn)拱頂向下變形，拱底向上凸起的形態(tài)。原設(shè)計方案拱頂向下的最大位移為0.28mm，底部向上凸起最大位移為0.65mm；改進后方案豎向位移分布與原設(shè)計方案分布規(guī)律一致，只是豎向位移有所減少，拱頂?shù)淖畲笪灰茷?.24mm，拱底的最大位移為0.62mm。

整個開挖結(jié)束后，原設(shè)計方案水平向最大位移發(fā)生在直墻段下側(cè)，最大位移為0.44mm，左右對稱分布，左側(cè)位移為正，右側(cè)位移為負；改進后方案開挖完成后的水平位移分布規(guī)律與原設(shè)計方案相同，最大水平位移為0.41mm。原設(shè)計方案豎向位移分布表現(xiàn)為拱頂向下變形，拱底向上凸起的形態(tài)。原設(shè)計方案的拱頂最大位移為0.28mm，改進后方案拱頂?shù)淖畲笪灰茷?.24mm，相比原設(shè)計方案豎向位移有所減小，說明改進方案具有一定的合理性。同時通過上述計算分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）隧洞開挖過程中隨著開挖進程的推進，隧洞周圍圍巖變形逐漸增大，且初始開挖時的變形最大，隨著施工的推進，后續(xù)變形逐步減小。

（2）隧洞開挖后，水平向位移變化呈現(xiàn)明顯的對稱分布規(guī)律，且兩側(cè)位移方向相反。

（3）隧洞開挖后，豎直向位移變化呈現(xiàn)拱頂向下變形（且一般為隧洞變形最大的部位），隧洞底部向上凸起的現(xiàn)象。陜西水利

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