引水隧洞碎屑沉積地層洞段三臺階法開挖參數優化研究

張遠遠

(遼寧省石佛寺水庫管理局有限責任公司， 遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

阜新引白水源二期工程為遼寧省重點建設的水利工程項目，主要由取水頭部、預處理廠、加壓泵站、凈水廠、輸水管線和輸水隧洞等分項工程構成。其中，工程的輸水管線全長81km，設計日引水能力為30萬m3/d。工程的輸水隧洞為長1662m的無壓自流隧洞，進口和出口的洞底高程分別為193.3m和192.4m。隧洞斷面為城門洞型設計，隧洞的進口和出口部位設置有連接井。其中一標J3號主洞的施工區間穿越多條破碎帶、斷層以及構造帶，給開挖施工帶來了一定的困難。其中樁號J30+103—J33+205洞段分布有廣泛的碎屑沉積地層，其巖性主要以泥質片巖、砂巖為主，此類巖體不僅具有明顯的節理發育且內部孔隙度大、抗壓強度低，因此承載力較弱，容易產生較大的變形[1]。結合工程實際和相關施工經驗，三臺階開法每臺階的開挖斷面尺寸相對較小，因此在開挖過程中對圍巖的擾動也相對較小，更有利于隧洞開挖施工過程中的安全和穩定，因此擬采用三臺階法進行該洞段的開挖施工[2]。為保證施工的順利進行，本文利用數值模擬的方法，對開挖過程中的臺階高度和長度參數進行優化研究，以期為施工設計提供必要的參考。

2 ANSYS有限元模型

2.1 計算模型的構建

根據施工前的工程地質調查結果，研究洞段的J31+055— J31+104洞段為典型的碎屑沉積地層，地質條件比較復雜，因此選擇該洞段構建有限元數值模擬計算模型，進行有限元分析。理論分析表明，在均勻彈性無限域中開挖的地下洞室工程，基于卸荷釋放引起的圍巖應力和位移變化，在5倍洞徑范圍之外將小于1%[3]。因此，兼顧計算結果的準確性和效率，研究中將模型左右和下部的計算范圍確定為5倍洞徑，上部至地表，模型長度設計為20m，整個計算剖面的尺寸為60m×55m×20m[4]。在結合模型的構建過程中，以隧洞軸線指向下游的方向為x軸正方向，以垂直與x軸指向右岸的方向為y軸的正方向，以豎直向上的方向為z軸正方向。

對構建的幾何模型采用SOLID45八節點單元進行模擬[5]。為了提高模擬的精度和效率，對不同的部位采取不同的網格密度，被開挖部位采取精度更高的網格劃分，并逐漸向四周發散變大[6]。最終整個模型被劃分為15679個計算單元，13464個計算節點，模型的網格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計算參數

鑒于研究洞段的埋深較大，且地質環境較差，選擇位移和應力邊界條件[7]。具體而言，對構建模型的左右表姐施加水平方向的位移約束，下邊界施加豎直方向的位移約束，上邊界為自由邊界條件[8]。結合地質和圍巖參數，對模型的上邊界施加0.65MPa的法向均布荷載，對模型的兩側施加0.84MPa的水平應力[9]。結合相關工程經驗值及實驗室試驗結果相結合的方式獲得圍巖巖體的物理力學參數：圍巖的彈性模量為2.5GPa、泊松比為0.26、密度為2630kg/m3、內摩擦角為31.5°、黏聚力為0.1MPa[10]。

2.3 模型的加載和計算

在模型的網格劃分好之后，對網格模型施加必要的邊界條件和重力加速度，對左右面上的所有節點施加水平位移和水平應力，對底面上的所有節點施加豎向位移約束，對前后面上的所有節點施加y向位移約束，對模型的上邊界施加自由邊界條件，同時施加法向均布荷載以模擬圍巖自重[11]。設置分析類型為靜態分析，將迭代次數設計為1000次，每次求解分為10個荷載步，將力和位移的收斂系數設定為0.05，打開時間步長預測器、線性搜索以及大位移效果，選擇全牛頓-拉普森迭代方法。

2.4 模擬方案

研究洞段擬采用三臺階開挖法，但是開挖臺階的高度和長度不僅會影響開挖過程中的圍巖穩定性，同時也會對施工進度產生顯著影響[12]，為了進一步控制好圍巖變形，研究中對設置不同的臺階高度和長度參數，建立多組有限元模型，展開上述兩個指標的優化研究。鑒于三臺階開挖法中的上臺階高度對圍巖變形影響較大，因此將其作為唯一的變量，結合相關研究成果和施工規范、設置1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0m六組工況進行模擬計算。對于臺階長度，選擇1.0、1.5、2.0、2.5m四組工況進行模擬計算。

3 計算結果分析

3.1 臺階高度優化計算結果與分析

利用上節構建的有限元模型，保持其他參數不變，對不同上臺階高度工況下的圍巖位移進行模擬計算，從計算結果中提取關鍵部位的位移最大值，結果見表2。由計算結果可知，在隧洞開挖過程中拱頂沉降位移和仰拱隆起位移隨著上臺階高度的增加呈現出先減小后增加的特點，當上臺階高度為1.6m時，拱頂沉降位移和仰拱隆起位移量最小。從拱腰的水平位移來看，其最大值和最小值隨著上臺階高度的增加呈現出先減小后增加的特點，且在上臺階高度為1.4m時達到為最小。

表2 不同上臺階高度下的位移計算結果

利用上節構建的有限元模型，保持其他參數不變，對不同上臺階高度工況下的圍巖噴混結構應力進行模擬計算，從計算結果中提取最大拉應力和最大壓應力值，結果如圖2所示。由計算結果可知，噴混結構的最大壓應力和最大拉應力隨著上臺階開挖高度的增加，呈現出先減小后增加的態勢。其中，上臺階開挖高度為1.4m時，最大拉應力值最小，當上臺階開挖高度為1.6m時，最大壓應力的值最小。

圖2 噴混結構應力隨上臺階開挖高度變化曲線

綜合上述計算結果，上臺階開挖高度為1.4m時，拱腰水平位移值和噴混結構最大拉應力值最小，而豎向位移最大值和和最大壓應力值與開挖高度為1.6m時的計算結果比較接近。因此，建議在三臺階開挖施工中，選擇1.4m的上臺階開挖高度。

3.2 臺階長度優化計算結果與分析

利用上節構建的有限元模型，保持其他參數不變，對不同臺階長度工況下的圍巖位移進行模擬計算，從計算結果中提取關鍵部位的位移最大值，結果見表3。由計算結果可知，臺階長度1.0、1.5、2.0m三種工況下的拱頂沉降和仰拱隆起變形比較接近，當臺階長度為2.5m時的拱頂沉降位移迅速增加，仰拱沉降位移基本為0，原因可能是臺階過長導致拱頂變形實踐較長，因此沉降量增加明顯。從拱腰的水平位移來看，其最大值和最小值隨著上臺階高度的增加呈現出先減小后增加的特點，且在上臺階高度為1.4m時達到為最小。從水平位移來看，當臺階長度小于2.0m時，水平位移隨著臺階長度的增加而小幅下降，而臺階長度大于2.0m時，水平位移隨著臺階長度的增加而增加。鑒于增加臺階長度有利于提高施工效率，因此從位移變形計算結果來看，最優臺階長度應為2.0m。

表3 不同上臺階高度下的位移計算結果

利用上節構建的有限元模型，保持其他參數不變，對不同臺階長度工況下的圍巖噴混結構應力進行模擬計算，從計算結果中提取最大拉應力和最大壓應力值，結果如圖3所示。由計算結果可知，噴混結構的最大拉應力隨著臺階開挖長度的增加呈現出不斷減小的態勢，但是減小的幅度極為有限；噴混結構的最大壓應力隨著臺階開挖長度的增加基本保持不變。由此可見，臺階開挖長度對噴混結構的應力影響極為有限，在優化設計中可以不予考慮。

綜合上述計算結果，臺階開挖長度為2.0m時，對控制圍巖的位移和提高施工效率最為有利，而臺階開挖長度對噴混結構的應力影響極為有限。因此，建議在三臺階開挖施工中，選擇2.0m的臺階開挖長度。

圖3 噴混結構應力隨上臺階開挖高度變化曲線

4 結語

此次研究以具體工程為背景，利用數值模擬的方式對碎屑沉積地層洞段三臺階法開挖過程中的臺階高度和長度進行優化研究，并獲得了上臺階開挖高度1.4m，開挖長度2.0m的最佳施工工藝參數，對保證工程施工的安全性和經濟性具有重要的指導意義，而研究方法本身也可以為類似工程的施工工藝參數研究研究提供必要的支持和借鑒。當然，碎屑沉積地層地質環境具有復雜性，其圍巖本身具有崩解性、軟化性等諸多水理性質以及強度低、孔隙度大以及蠕變性等特殊物理性質。在有限元模型的構建過程中沒有考慮到上述性質的耦合影響，因此在后續研究中需要對上述影響進行深入的探索和分析，以期進一步提高研究結果的科學性和有效性。