輸水隧洞破碎巖洞段大變形控制方案比選研究

劉廣茹

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

某輸水工程是遼寧省十四五期間規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)輸水工程，工程建成之后可以有效解決遼寧省西北部地區(qū)的工業(yè)和生活用水安全[1]。該工程輸水隧洞二標(biāo)段穿越F33斷層洞段地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，巖體風(fēng)化破碎情況比較嚴(yán)重，不僅巖性軟弱、整體性較差，同時(shí)巖體中還夾雜多層凝灰?guī)r。由于凝灰?guī)r極易遇水軟化，且部分洞段有地下水滲出，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.12，對(duì)隧洞的襯砌安全造成比較嚴(yán)重的威脅。針對(duì)該洞段的地質(zhì)情況，擬采用全斷面超前注漿加固和三臺(tái)階開(kāi)挖法的施工方案，同時(shí)在施工中做好止水工作，確保開(kāi)挖施工安全。為了保證施工安全。但是，該洞段的原始工程設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)錨噴型支護(hù)，直墻圓拱洞型，支護(hù)鋼架的強(qiáng)度相對(duì)較低，并不能有效增強(qiáng)圍巖的承載力，不利于該洞段發(fā)生大變形情況下的變形控制[2]?；诖耍舜窝芯客ㄟ^(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)大變形控制方案進(jìn)行優(yōu)化，為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供有益的支持和借鑒。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研發(fā)的一款速度最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，該軟件可以和多種CAD接口連接，完成數(shù)的交換和共享。ANSYS軟件主要由前處理、計(jì)算分析和后處理3個(gè)模塊組成，在航空航天、交通、造船、水利、巖土工程、機(jī)械制造、能源等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。因此，此次研究選擇ANSYS軟件進(jìn)行背景工程研究洞段的有限元模型構(gòu)建[3]。

1.2 模型構(gòu)建

在研究洞段的大變形模擬計(jì)算分析過(guò)程中，選擇SD2+221—SD2+271段作為研究對(duì)象，該斷面的圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，埋深為40m。研究洞段的圍巖比較破碎，且節(jié)理發(fā)育，在施工過(guò)程中容易發(fā)生大變形[4]。由于圍巖巖體整體性較差，因此在模型構(gòu)建過(guò)程中對(duì)模型的左右邊界各選取10倍洞徑，上部邊界為地表，下部邊界為5倍洞徑，最終獲得模型的尺寸為160m×82m×50m。對(duì)模型利用6面體8節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)隧洞周邊巖體和斷裂部位進(jìn)行局部加密[5]，最終獲得144682個(gè)網(wǎng)格單元，109967個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.3 模型參數(shù)與邊界條件

受到多種因素的影響，模型地質(zhì)巖體的初始應(yīng)力變化較大，由于地溫對(duì)地下水的影響相對(duì)較小可以忽略不計(jì)，因此主要考慮巖體自重和地質(zhì)構(gòu)造作用的影響[6]。在模型計(jì)算過(guò)程中，將構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行疊加并施加與模型[7]。另一方面，對(duì)模型的側(cè)面施加水平位移約束，對(duì)模型的底面施加全位移約束，模型的上表面為自由邊界條件[8]。

模型的巖土體分層材料計(jì)算參數(shù)依托工程實(shí)際，結(jié)合前期勘鉆資料和實(shí)際開(kāi)挖情況確定，其具體的取值見(jiàn)表1。

表1 模型土體參數(shù)

2 研究洞段大變形控制方案

由于研究洞段圍巖的巖性比較破碎，因此在確定大變形控制方案時(shí)考慮采用屈服支護(hù)和阻力支護(hù)相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)措施，并控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和預(yù)期優(yōu)選。在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮如下支護(hù)措施：一是提高研究洞段圍巖的自承力，減小圍巖塑性變形的半徑；二是從開(kāi)挖支護(hù)剛度和允許變形量的角度考慮，對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)選?；诖?，擬定出如下4種圍巖大變形控制方案進(jìn)行優(yōu)選。

方案1：該方案采用單層初期支護(hù)，預(yù)留變形量為20cm；初支結(jié)構(gòu)為厚25cm的C25噴射混凝土+I18鋼拱架，初支成環(huán)與施工掌子面的距離小于12m。

方案2：該方案為“抗放結(jié)合”的雙層初支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)留變形量為40cm。第一層初支結(jié)構(gòu)為厚25cm的C25噴射混凝土+I20鋼拱架；第一層初支結(jié)構(gòu)為厚22cm的C25噴射混凝土+I18鋼拱架；開(kāi)挖過(guò)程中仰拱和下臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖

方案3：該方案的支護(hù)方案與方案2基本相同，開(kāi)挖采取的是上下臺(tái)階、仰拱填充分別開(kāi)挖，為“邊抗邊放、抗放結(jié)合”。

方案4：該方案采用“強(qiáng)支”單層初期支護(hù)的方式，預(yù)留40cm的變形量。其中，初支結(jié)構(gòu)為厚27cm的C25噴射混凝土+H175鋼拱架；在邊墻收斂變形達(dá)到30cm時(shí)施作套拱，套拱采用的是厚22cm的C25混凝土+I18鋼拱架。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)4種不同方案下輸水隧洞研究洞段圍巖位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取不分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的拱頂沉降和拱腰收斂位移量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，方案1拱頂累積位移量為47.22mm，拱腰收斂位移量累計(jì)值為577.64mm。在圍巖加固之后，拱腰收斂變形得到明顯控制，但是在掌子面開(kāi)挖之后又開(kāi)始變形，并且在模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)仍沒(méi)有穩(wěn)定收斂的趨勢(shì)，因此無(wú)法保證施工的正常進(jìn)行。方案2的拱頂累積位移量為54.01mm，拱腰收斂位移量累計(jì)值為488.67mm，且計(jì)算結(jié)束時(shí)拱腰變形仍不收斂，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法承受圍巖施加的壓力，隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并不理想。方案3的拱頂累積位移量為144.71mm，拱腰收斂位移量累計(jì)值為671.91mm，雖然最終位移量相對(duì)較大，但是計(jì)算結(jié)束之后平穩(wěn)收斂，圍巖大變形可以得到有效控制。鑒于變形量較大，如果預(yù)留變形在70cm左右可獲得較好的大變形控制效果。方案4拱頂累積位移量為84.44mm，拱腰收斂位移量累計(jì)值為340.03mm，與其他方案相比，變形不僅可以獲得穩(wěn)定收斂，且累積位移量明顯較小，可以獲得最佳大變形控制效果。

表2 各控制方案位移量計(jì)算結(jié)果 單位：mm

3.2 應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)4種不同方案下輸水隧洞研究洞段圍巖位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取不分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的拱頂沉降和拱腰收斂位移量，結(jié)果見(jiàn)表3。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，各個(gè)設(shè)計(jì)方案在施工接近完成的情況下，典型部位的最大主應(yīng)力均表現(xiàn)出收斂的變化趨勢(shì)，說(shuō)明各方案在應(yīng)力控制方面都具有比較明顯的效果。同時(shí)，從表中的計(jì)算結(jié)果還可以看出，在施工中預(yù)留變形可以有效釋放圍巖應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力的有效控制，而增加襯砌結(jié)構(gòu)的剛度可以有效提升襯砌對(duì)圍巖壓力的承載能力，并表現(xiàn)為支護(hù)應(yīng)力的明顯增大，綜合考慮圍巖應(yīng)力釋放變化特點(diǎn)以及應(yīng)力的最大值，方案4的應(yīng)力控制效果最佳。

表3 各控制方案位最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：mm

3.3 塑性區(qū)

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)4種不同方案下輸水隧洞研究洞段圍巖塑性區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取不分時(shí)間節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)分布數(shù)據(jù)，并繪制出塑性區(qū)面積變化曲線。由圖2可以看出，塑性區(qū)面積隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)。從不同方案的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，在計(jì)算結(jié)束時(shí)方案1的塑性區(qū)面積最大，且沒(méi)有出現(xiàn)收斂的變化特征；方案2和方案3雖然在計(jì)算結(jié)束時(shí)出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，但是與方案4相比塑性區(qū)面積明顯偏大。由此可見(jiàn)，在所有的4個(gè)方案中，方案4的計(jì)算結(jié)果收斂較快，且塑性區(qū)面積明顯偏小，為最佳方案。

圖2 塑性區(qū)面積變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究利用數(shù)值模擬的方式，對(duì)某輸水工程輸水隧洞穿越破碎巖洞段施工中的大變形控制方案進(jìn)行比選研究，結(jié)果顯示屬于強(qiáng)支護(hù)理念的方案4在位移、應(yīng)力和塑性區(qū)控制方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為最佳施工方案。在背景工程研究洞段施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，施工中的位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與本文的計(jì)算結(jié)果比較接近，說(shuō)明此次研究采用的方法具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性，可以為相關(guān)研究提供有益的支持和借鑒。當(dāng)然，隨著水利工程建設(shè)技術(shù)的不遠(yuǎn)發(fā)展，大變形隧洞新型支護(hù)技術(shù)日漸增多，因此在今后的研究中，還應(yīng)該側(cè)重于施工新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)建起安全系數(shù)和施工效率更高的新型支護(hù)體系。