引水隧洞支護時機對支護結構的影響

陳 麗

(沈陽市水務事務服務與行政執法中心，遼寧 沈陽 110036)

隨著我國經濟的迅速發展，新建了大量的基礎設施，引水隧洞作為解決水資源不平衡問題的重要工程，被大力新建。引水隧洞周邊圍巖的穩定性嚴重影響了引水隧洞整體結構的安全和穩定性。為保證引水隧洞穩定性，合理的支護類型和結構被廣泛應用，如初期支護、二次襯砌等。

眾多學者針對引水隧洞支護結構的問題開展了一系列的研究，并取得了豐碩成果。吳世勇等[1]基于錦屏二級水電站引水隧洞工程，利用有限元軟件建立三維數值模型，分析了不同支護結構對引水隧洞施工過程中圍巖穩定性的影響，通過對比圍巖的受力變形，明確了該工程合理的支護方案和參數。徐干成[2]以某引水隧洞工程為研究對象，基于黏彈性邊界元法預測了引水隧洞采用錨噴支護下圍巖的受力變形，系統地對相關敏感參數的影響進行分析，評估了引水隧洞的圍巖穩定性。胡云進等[3]通過有限元軟件建立三維引水隧洞耦合模型，分析了外壓作用下內水外滲的滲流-應力-開裂，進一步研究了不同壓力下的圍巖穩定性。彭守拙等[4]以某壓力作用的引水隧洞工程為研究對象，分析了引水隧洞施工過程中混凝土襯砌產生的裂縫規律，進一步研究了圍巖的接觸條件。閆治國等[5]基于某采用盾構施工的引水隧洞工程，研究了引水隧洞施工過程中管片接頭的受力變形，系統研究了不同部位管片的接頭力學與變形模型。王俊淞等[6]以某采用雙層襯砌結構的引水隧洞為研究對象，采用離心模型試驗研究了雙層襯砌結構的支護效果。

文章以某引水隧洞工程為研究對象，通過有限元軟件建立三維數值模型，分析了引水隧洞支護結構的穩定性。對比不同二襯襯砌支護時機下支護結構的受力變形。

1 工程概況

某引水隧洞工程穿越斷層破碎帶，隧洞沿線的主要地層為志留系茂縣群第四巖組，由石英云母片巖、長英質變粒巖等組成。該引水隧洞所處地區地質構造較為復雜，有寬度為0.2～1.1m的斷層破碎帶，強卸荷帶水平深度為2.2～21.2m，其垂直深度不大于18m。弱卸荷帶主要為沿順層發育，水平深度為27.3～39.8m，其垂直深度范圍為28.8～37.5m。

2 三維數值模型

2.1 數值模型及參數選取

依據工程背景和設計方案，利用三維有限元軟件建立三維數值模型，如圖1所示。引水隧洞的直徑為16m，剖面圖顯示模型由內到外分別為開挖的隧洞、厚度為1.2m強度等級為C30的混凝土、厚度為0.3m強度等級為C25的混凝土、厚度為3m的強卸載區域、厚度為10m的強卸載區域、斷層破碎帶、圍巖。

圖1 三維數值模型圖

文章選擇有限元軟件中內置的CVISC模型來模擬流變。其中EM為彈性模量，EK為黏彈性模量，ηM為Maxwell黏性系數，ηK為Kelvin黏性系數，當模型中應力小于摩爾-庫倫本構模型的長期屈服應力時，元件的應力應為0，其本構方程為

(1)

當模型中應力不小于摩爾-庫倫本構模型的長期屈服應力時，元件處于塑性流動狀態，其本構方程為

(2)

表1給出了不同應力釋放率對應的變形模量，表2給出了引水隧洞開挖過程中圍巖的物理力學參數，表3給出了引水隧洞開挖過程中圍巖的流變參數。

表1 不同應力釋放率對應的變形模量

表2 圍巖的物理力學參數

表3 圍巖的流變參數

2.2 隧洞支護方案

引水隧洞采用噴射混凝土加錨桿作為初期支護，在隧洞掘進過程中支護需及時[7-8]。選用C30等級的混凝土進行二次襯砌支護，二次襯砌厚度為1.2m，選擇不同時機進行施工。圖2給出了支護布置圖。采用各向同性的彈性模型模擬支護結構，具體的，用實體單元模擬混凝土結構，用軟件內置的Cable SEL單元來模擬錨桿結構。

圖2 支護布置圖

依據文章研究的內容，在初襯支護和二次襯砌結構上設置觀測點，觀測點的布置如圖3所示。初襯支護結構的觀測點分別定義為a、b、c、d，二次襯砌結構的觀測點分別定義為A、B、C、D。

圖3 觀測點的布置圖

3 數值結果分析

3.1 二次支護時機指標

為了更好地分析圍巖的變形規律，選擇隧洞拱底和拱頂的相對位移作為考量二次支護時機的標準，記相對位移為Δab。首先找出相對位移Δab跟隨應力釋放率的變化規律，具體的流程如下：

(1)在隧洞初襯支護完畢，施工二次襯砌前，應力釋放率以步長5%從0%逐漸增大到100%(其中100%代表不施工二次襯砌)，觀察30天內不同應力釋放率下觀測點a、b、c、d的位移。

(2)依據觀測點a、b、c、d的位移，繪制出相對位移Δab隨著應力釋放率的變化曲線，如圖4所示。當應力釋放率達到100%時，相對位移Δab為301.1mm，將此值定義為Δabmax。將Δabmax的20%、40%、60%、80%選為二次不同支護時機，對應的相對位移分別為60.2、120.4、180.7、240.9mm。

圖4 相對位移Δab隨著應力釋放率的變化曲線

(3)將上述相對位移帶入圖3，可以得到4個相對位移所對應的應力釋放率分別為26%、47%、68%和89%。將這4個應力釋放率帶入表1并進行插值，得到對應的變形模量，將其依次輸入模型進行模擬。

3.2 長期運行過程中支護結構變形

引水隧洞在運營過程中，對上述4個支護時機進行流變計算50年，圖5給出了觀測點A、B、C、D在0～50年過程中的變形曲線。從圖中可以看出，雖然30天內施做二次襯砌后支護結構變形值有所區別，但在不同支護時機下，引水隧洞變形在5年時間左右基本可以收斂，引水隧洞變形在10年時間左右完全收斂。此外，隨著二次襯砌支護時機在最大相對位移的占比越大，二次襯砌支護后引水隧洞收斂變形愈小。可見，二次襯砌支護前適度能有效限制二次襯砌所導致的變形。并且，引水隧洞流變變形在二次襯砌支護后經歷兩個階段：衰減流變和穩定流變。

圖5 觀測點A、B、C、D在0～50年過程中的變形曲線

3.3 二次襯砌支護時機確定

將不同階段下支護結構長期變形值和長期應力值作為指標，深入研究二次襯砌時機的影響。表4和表5分別給出了不同運營時期下襯砌結構的變形和應力值(運營時間分別為1年、5年、10年、50年)。

表4 不同運營時機下襯砌結構的變形 單位：mm

表5 不同運營時機下襯砌結構的應力 單位：MPa

從表中可以看出，當運營時期相同時，不同支護時期下，二次襯砌支護時機在最大相對位移的占比越大，觀測點的變形和應力值越小。此外，當二次襯砌支護時機相同時，隨著運營時期的增長，二次襯砌結構的長期變形和應力會增加，當運營時間為5年時，引水隧洞變形基本收斂；當運營時間達到10年時，引水隧洞變形完全收斂。當二次襯砌支護時機為20%Δabmax時，支護產生的結構第三主應力峰值大于等級為C30混凝土的抗壓強度。當二次襯砌支護時機分別為40%Δabmax、60%Δabmax、80%Δabmax時，支護產生的結構第三主應力峰值小于等級為C30混凝土的抗壓強度。基于先讓后扛原則，當二次襯砌支護時機為80%Δabmax時，其支護效果最優。

4 結論

以某引水隧洞工程為研究對象，分析了引水隧洞支護結構的穩定性。對比不同二襯襯砌支護時機下支護結構的受力變形。不同支護時機下，引水隧洞變形在5年時間左右基本可以收斂，引水隧洞變形在10年時間左右完全收斂。二次襯砌支護時機在最大相對位移的占比越大，二次襯砌支護后引水隧洞收斂變形愈小。二次襯砌支護前適度能有效限制二次襯砌所導致的變形。基于先讓后扛原則，當二次襯砌支護時機為80%Δabmax時，其支護效果最優。文章只對軟巖流變參數中的一種進行分析，實際上不同區域的流變參數也有區別，后續可將模型分區設置流變參數進行數值模擬。