某抽水蓄能電站交通隧洞軟弱圍巖支護結構有限元分析

金丙茹

摘 要：某抽水蓄能電站交通隧洞出口圍巖不穩(wěn)定，開挖過程中容易出現(xiàn)大的變形甚至塌方，該工程采用支護方式解決此問題。通過建立隧洞模型，對其支護結構進行有限元計算及分析。結果表明，支護結構設計合理，且安全可靠。

關鍵詞：抽水蓄能電站;交通隧洞;軟弱圍巖;支護;有限元

中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-03

Finite Element Analysis of Soft Surrounding Rock Support Structure of Traffic Tunnel of a Pumped Storage Power Station

JIN Bingru

（School of Civil Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang Henan 471000）

Abstract： The surrounding rock at the exit of the traffic tunnel of a pumped storage power station is unstable， and it is easy to have large deformation or even collapse in the excavation process. Therefore， the project adopts support to solve this kind of problem. In this paper， the finite element calculation and analysis of its supporting structure are carried out by establishing the tunnel model. The results show that the design of support structure is reasonable， safe and reliable.

Keywords： pumped storage power station;traffic tunnel;weak surrounding rock;support;finite element

1 工程概況

某抽水蓄能電站交通隧洞進口位于下庫壩址上游約215 m，進口高程為314.575 m;出口位于下庫壩址下游約190 m，出口高程為288.973 m;全長393 m，平均坡度約5.88%;其中隧道長度為379 m，隧道建筑界限為8.5 m×6.5 m。下庫繞壩交通隧洞設計等級為水電三級。

下水庫（壩）區(qū)地質構造以斷層、侵入巖脈為主，結構面主要為節(jié)理、裂隙。出口段受斷層及巖脈影響，巖體較破碎，完整性差，節(jié)理發(fā)育，圍巖以Ⅳ類為主，局部存在Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定性差。

2 隧洞支護方案

采取復合式襯砌，初期支護采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架組合形式，二次襯砌為整體式襯砌（C30鋼筋混凝土），具體襯砌支護參數(shù)見表1。

3 初期支護的有限元計算及分析

采用地層結構法[1]計算初期支護的內力和變形，圍巖的特性參數(shù)值如表2所示。

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTG 3370.0—2018），確定支護材料的力學性能參數(shù)如表3所示。

通過模擬分析計算，初期支護內力計算結果如圖1所示。襯砌彎矩最大值在拱頂A處，最大值為9.45 kN·m;壓力最大值在拱腳B處，最大值為302.55 kN;剪力最大值在拱頂C處，最大值為16.75 kN。

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），抗壓強度驗算和抗剪強度驗算公式分別如式（1）和式（2）所示：

KN≤φαRbh （1）

KQ≤0.07Rbh （2）

式中：K表示安全系數(shù);N和Q表示軸向力和剪力;φ表示構件縱向彎曲系數(shù);α表示軸向力的偏心影響系數(shù);R表示混凝土的抗壓極限強度;b和h表示截面寬度和厚度。

對A、B、C三點進行強度驗算[2]，計算過程見表4和表5，其中各參數(shù)按規(guī)范要求取值：K=2.0，φ=1，b=

0.25 m，h=1 m，R=19.0 MPa。

經(jīng)計算，初期支護的抗壓強度和抗剪強度均滿足規(guī)范要求，有效保障了圍巖的穩(wěn)定性和施工的安全性。

4 二次襯砌的有限元計算及分析

采用荷載結構法計算二次襯砌的內力。先計算作用在二次襯砌上的荷載，本次模擬主要計入的荷載包括襯砌上方的彈性抗力、垂直壓力和水平側壓力，計算公式分別如式（3）、式（4）和式（5）所示：

式中：σ表示彈性抗力的強度;k表示圍巖彈性抗力系數(shù);δ表示襯砌朝向圍巖的變形值;q和e表示作用在支護結構上的垂直均布荷載和水平側壓應力;H、h和Bt表示隧道埋深、隧道底部到地面的距離和隧道寬度;γ表示隧道上覆圍巖重度;λ表示側壓力系數(shù);θ表示摩擦角。

代入各參數(shù)[3]計算得：彈性抗力強度σ=159 kN/m;側壓力系數(shù)λ=0.16;垂直壓力q=317.8 kN/m;水平側壓應力e=119.9 kN/m。

通過模擬分析計算，二次襯砌內力計算結果如圖2所示。二次襯砌壓力最大值在拱腳D處，最大值為3 386.2 kN;彎矩最大值在拱腳E處，最大值為1 772.9 kN?m。對D、E兩點進行強度驗算，經(jīng)計算均滿足設計規(guī)范要求，故二次襯砌可以為圍巖的穩(wěn)定提供有效保障。

5 施工情況及注意事項

按照施工設計圖紙進行施工。根據(jù)現(xiàn)場施工反饋，出口處已施工段圍巖變形較小，無明顯裂縫，表明支護結構強度滿足要求，為圍巖穩(wěn)定性提供了可靠保障。施工中應注意以下事項。

第一，地質勘察在隧洞工程施工中起著重要作用，因此在施工過程中應做好地質勘察工作，通過采用不同的勘察技術手段，對還未施工的隧洞掌子面地質進行勘測。對于地質變化較大的段落，要及時聯(lián)系設計單位，核實設計的合理性，相應地調整施工方案。

第二，對于巖體風化程度高、巖體破碎的偏壓情況，可以通過注漿的方式加固巖體，待其硬化達到設計要求后再進行開挖。注漿過程中應注意以下幾點：注漿孔位布置應按照設計要求做好標記;鉆孔注漿時，先鉆上方，注漿結束后，待其強度達到要求后再繼續(xù)進行下一孔注漿;鉆孔深度應達到設計要求位置，鉆孔過程應緩慢輕壓，防止鉆位出現(xiàn)偏差;注漿前應做注水試驗，檢查注漿設備的密閉性。

第三，初期支護在開挖巖體后應及時施作，防止開挖斷面巖體出現(xiàn)松動甚至塌方等災害[4]。按照施工圖設計斷面尺寸，先開挖上部拱頂巖體，嚴格控制開挖斷面。開挖后及時清理裸露松散巖塊，檢查超欠挖情況，及時噴射C25混凝土封閉巖面，減少巖體松動變形。

第四，砂漿錨桿采用C22鋼筋按照設計要求制作，提前準備好注漿設備，按照隧洞施工設計圖紙確定砂漿錨桿布設位置，并用紅漆做好標記。鉆孔大小和深度應符合施工規(guī)范要求，鉆孔結束后應及時采用高壓水槍清孔。按照要求配合比配置砂漿液，砂漿液應攪拌均勻。在清理干凈的孔內注滿砂漿液后插入制作好的錨桿，并做好養(yǎng)護工作，確保砂漿強度可以達到設計值，使錨桿能充分發(fā)揮錨固作用[5]。

第五，在砂漿錨桿布設結束后進行鋼筋網(wǎng)的支護。為了加快施工進度，采用提前制作好的鋼筋網(wǎng)片。在洞外制作鋼筋網(wǎng)片，按照設計要求間距250 mm×250 mm焊接鋼筋形成長2 m、寬1 m的鋼筋網(wǎng)片，集中存放，并做好防潮防銹措施，在鋼筋網(wǎng)支護前運往洞內拼接。運輸過程應小心，避免鋼筋變形。鋼筋網(wǎng)片應鋪滿整個斷面，與錨桿進行焊接固定，另外采用焊接的方式將各個鋼筋網(wǎng)片進行拼接。在噴射混凝土時，要保證鋼筋網(wǎng)片的保護層厚度滿足施工規(guī)范要求。

第六，按照設計尺寸預制加工鋼拱架。先將適宜長度的工字鋼整體冷彎成型，然后按照隧洞開挖方案斷面尺寸分割成段，并焊接上連接板，應保證相連段連接板螺栓孔對應準確無誤。加工好的鋼拱架在保存時應注意做好防潮防銹措施，運往施工現(xiàn)場時應注意保護，避免產(chǎn)生變形。在安裝鋼拱架時應多點固定，保證拼接順利。

第七，在鋼拱架安裝好后進行混凝土噴射。先按照設計配合比要求配置混凝土，然后在拌和站拌和均勻后通過濕噴設備進行混凝土噴射。需按照設計要求噴射厚度進行噴射，噴射時應調整壓力和角度，以確保噴射的質量滿足施工要求。在混凝土噴射完畢后應及時進行坑洼抹平。分層噴射時應保證前一層混凝土凝結強度達到要求后再噴射，以保證分層混凝土之間更好地結合。

6 結語

通過對隧洞初期支護和二次襯砌的有限元分析和理論進行計算，驗證了支護結構的安全可靠性，同時發(fā)現(xiàn)該項目襯砌的拱頂及拱腳處是荷載驗算的危險截面，可為以后類似地質條件的隧洞工程設計提供寶貴的經(jīng)驗。

參考文獻：

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