輸水隧洞施工的支護參數(shù)優(yōu)化分析

趙玉龍

（甘肅省酒泉市瓜州縣榆林河灌區(qū)水利服務(wù)所，甘肅 酒泉 736115）

1 引言

國家“十二五規(guī)劃”中，僅引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞部分長度達到98.30 km。國家已建成的各類輸水隧洞長度已經(jīng)超過10 000 km。投入的人力、物力相當之大，一旦發(fā)生事故，后果十分嚴重。隨著模擬仿真軟件以及計算機技術(shù)的成熟發(fā)展，目前研究學者多采用數(shù)值模擬方法對隧洞開挖支護過程中結(jié)構(gòu)受力及變形情況進行研究分析。馬國文采用FLAC 3D軟件對新疆某輸水隧洞工程支護結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)進行分析，結(jié)合實際工程以及數(shù)值模擬，得出噴射混凝土層、錨桿支護長度和間距等支護最優(yōu)參數(shù)。張虎元等運用FLAC 3D仿真計算軟件模擬隧洞開挖在無支護、噴錨支護條件下，圍巖的應(yīng)力變化和圍巖塑性變形的情況。結(jié)果表明，噴錨支護可以提高圍巖自承能力；無支護條件下，圍巖產(chǎn)生較大的變形，且隧洞拱頂變形量最大。張雷以某水庫輸水隧洞為例，通過FLAC 3D 構(gòu)建模型分析不同錨索長度對輸水隧洞支護的影響，得出最優(yōu)錨索支護方案。即在隧洞兩側(cè)設(shè)置5 m 長錨索，拱頂部分采用長8 m 錨索。張大年利用ABAQUS有限元軟件，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移兩方面分析輸水隧洞超前小導管注漿支護效果，表明小導管在加固過程中具有積極的作用。趙大洲等采用FLAC 3D模擬某引水工程輸水隧洞的開挖過程。分析Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，隧洞初期支護圍巖變形情況以及圍巖與襯砌作用關(guān)系，為該段輸水隧洞支護設(shè)計提供理論依據(jù)。莊海龍利用有限元軟件模擬隧洞開挖過程，以摩爾-庫倫準則計算開挖后圍巖的應(yīng)力，對圍巖進行穩(wěn)定性分析。同時利用Midas-GTS 軟件模擬開挖初期支護對Ⅳ、Ⅴ級圍巖支護效果，結(jié)果表明，隧洞開挖后隧洞穩(wěn)定性降低，通過合理的初期支護可以減小隧洞拱頂圍巖位移，提高圍巖穩(wěn)定性。

以往研究對支護參數(shù)的優(yōu)化方面較少，且較單一的研究支護參數(shù)對結(jié)構(gòu)安全性方面的影響。文中結(jié)合安全性和經(jīng)濟性兩方面，采用正交試驗法確定優(yōu)化指標，為實際工程提出既安全同時又經(jīng)濟的最優(yōu)支護參數(shù)。

2 試驗設(shè)計

2.1 數(shù)值模擬及參數(shù)設(shè)計

以某引水工程項目典型輸水隧洞斷面為研究對象，利用有限元分析軟件對隧洞進行仿真模擬。該輸水隧洞橫斷面形式呈“拱門型”，隧洞尺寸及支護方法如圖1所示。該隧洞位于砂巖層，隧洞埋深60 m，圍巖類別為Ⅴ級。

圖1 隧洞斷面尺寸及支護方式圖（標注單位：cm）

為了在保證計算精度的前提下兼顧計算效率，對隧洞周圍進行網(wǎng)格局部加密進行整體的網(wǎng)格劃分，共劃分出165 520個10 節(jié)點應(yīng)力單元。圖2 為輸水隧洞的有限元網(wǎng)格模型和應(yīng)力節(jié)點模型。模型參數(shù)的輸入主要參考該地的地質(zhì)勘查報告。模型具體參數(shù)取值見表1。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

表1 材料參數(shù)表

2.2 試驗方案

該輸水隧洞原設(shè)計方案為開挖進尺1.50 m、鋼拱架間距0.60 m、初襯厚度12 cm。為進一步優(yōu)化輸水隧洞施工建設(shè)中的支護參數(shù)，得出最經(jīng)濟安全的施工方案，文章基于正交試驗法，將開挖進尺、鋼拱架間距、初襯厚度三個因素分別增加兩個水平，確定正交試驗為3 因素3 水平，見表2。試驗方案如表3所示，共9種試驗工況。

表2 水平表

表3 試驗工況

對上述9個試驗工況進行數(shù)值模擬，計算不同工況下對隧洞頂部下沉位移及初襯拱頂應(yīng)力的影響。采用極差法分析頂部位移及初襯拱頂應(yīng)力的因素。

3 試驗分析

3.1 輸水隧洞安全性影響因素分析

以初襯拱頂應(yīng)力為例，模擬不同工況對隧洞洞室初襯拱頂應(yīng)力的影響、不同影響因素下隧洞洞室初襯拱頂應(yīng)力參數(shù)，采用極差法分析得，隧洞洞室初襯拱頂應(yīng)力的影響因素主次順序為：鋼拱架間距、初襯厚度、開挖進尺。主要原因是，隧洞開挖后，洞室周圍的圍巖產(chǎn)生的壓力主要由鋼拱架承受。初襯拱頂應(yīng)力隨著初襯厚度的增加而增加，初襯拱頂應(yīng)力隨著鋼拱架間距的增大而增加。觀察不同開挖進尺下初襯拱頂應(yīng)力值變化，可以發(fā)現(xiàn)，開挖進尺對隧洞洞室初襯應(yīng)力影響規(guī)律不明顯。

同理，通過極差法分析隧洞拱頂下層位移影響因素的主次順序。由試驗結(jié)果可知，開挖進尺對隧洞拱頂下層位移影響最大，鋼拱架間距對隧洞拱頂下層位移影響次之，初襯厚度對其影響最小。原因在于隨著開挖尺寸的增大，會造成地層的突然松弛，對拱頂造成較大擾動，從而出現(xiàn)較大且持續(xù)的變形，影響著開挖面的穩(wěn)定性。

3.2 輸水隧洞經(jīng)濟性影響因素分析

在輸水隧洞建設(shè)中，對于支護方式的選擇，除了要確保結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定外，還需充分考慮施工經(jīng)濟性，最大程度地節(jié)約成本。結(jié)合上述9個試驗工況，對每延米所需施工成本進行計算，分析影響輸水隧洞施工成本的因素主次順序。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，統(tǒng)計出各施工材料單價，分別計算出9種試驗工況下每延米總成本，見表4。

由表4 可知，9 種施工工況下，每延米施工成本均不相同。鋼拱架成本及開挖成本占隧洞開挖總成本最大。例如工況2中，開挖成本占據(jù)隧洞開挖總成本的58%，工況3中，鋼拱架成本占總成本49.60%。故在確定隧洞開挖支護最優(yōu)參數(shù)時，主要選擇鋼拱架、開挖成本占總成本比例小的施工方法案。

以不同工況下開挖成本為例，利用極差法研究分析初襯厚度、鋼拱架間距、開挖進尺因素對開挖成本占比的影響主次順序，計算結(jié)果表明開挖進尺對隧洞開挖成本占比影響最大，初襯厚度次之，鋼拱架間距對其影響最小。同理，利用方差法分析初襯厚度、鋼拱架間距、開挖進尺因素對鋼拱架成本占比的影響主次順序。最后得出與對開挖成本占比影響因素主次順序相一致的結(jié)論，即開挖進尺、初襯厚度、鋼拱架間距。

基于初襯厚度、鋼拱架間距、開挖進尺因素對輸水隧洞支護安全性、經(jīng)濟性兩方面綜合性影響，提出輸水隧洞支護最優(yōu)方案。工況9為最優(yōu)支護方案，即最優(yōu)支護參數(shù)初襯厚度為16 cm、鋼拱架間距為1.00 m、開挖進尺為1.50 m。該工況下，輸水隧洞洞室拱頂下沉位移、初襯拱頂應(yīng)力較小，且施工成本低。

4 結(jié)論

基于輸水隧洞安全性和經(jīng)濟性影響因素分析，得出以下結(jié)論：①初襯拱頂應(yīng)力因素影響程度為鋼拱架間距、初襯厚度、開挖進尺；拱頂下層位移因素影響程度為開挖進尺、鋼拱架間距、初襯厚度；輸水隧洞開挖成本影響程度為開挖進尺、初襯厚度、鋼拱架間距。②優(yōu)化后輸水隧洞施工支護參數(shù)為：初襯厚度16 cm、鋼拱架間距0.60 m、開挖進尺1.50 m。最優(yōu)方案中輸水隧洞洞室拱頂下沉位移、初襯拱頂應(yīng)力較小，且施工成本低。