新建放空沖砂隧洞開挖及支護數值模擬研究

陸林焰

（廣東省水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

1 工程概況

龍頸下水庫位于廣東省揭陽市揭西縣五經富鎮，為綜合性的中型水庫。水庫總容量為3 017萬/m3。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3 級。設計洪水位57.44 m（珠江基準），相應庫容2 579萬m3，最大洪水排放量3 047 m3/s，標準蓄水位54.50 m。工程移址重建放空隧洞以滿足水庫放空的要求。

新建放空隧洞由進口護底段、進口段、閘室段（放水塔）、漸變段、隧洞洞身及出口消力池段組成，整體長度為185 m。其中隧洞進口放水塔布置在東溢洪道左岸約75 m 處，隧洞洞身軸線總長154.91 m。新隧洞及放水塔施工完成后，拆除舊隧洞放水塔并對舊隧洞洞身全段進行封堵，封堵長度約85 m。在隧洞出口臨時道路下游附近布置人工材料倉庫。

隧洞封堵材料采用微膨脹混凝土，混凝土等級為C20素混凝土。隧洞進水口位于現有碼頭下方，設計底板高程34.90 m。進水口部位未發現斷層出露，全強風化層淺薄，弱風化巖體埋深較淺，巖體以鑲嵌-碎裂結構為主，進洞厚圍巖風化程度一般，巖體完整性差，需錨固處理。圍巖初步分類為Ⅳ類，局部Ⅴ類。隧洞出水口位于東溢洪道沖刷坑上方，設計底板高程27.40 m。據地面地質測繪及鉆孔揭示，進水口部位第四系坡積層厚一般0.50～1 m，主要為碎石土，下伏基巖為石英斑巖，全強風化層淺薄，弱風化巖體節理裂隙發育，完整性差，局部較破碎。

2 模擬方案及參數設置

2.1 隧洞開挖方案及參數設置

新建放空隧洞為城門洞型，開挖工程主要為隧洞進出口護坡、隧洞洞身石方洞挖。設置隧道寬度為4 m，開挖高度為5 m；隧洞洞身襯砌混凝土為C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌凈寬3 m，凈高4 m，抗滲等級不低于W8。所有土石方明挖必須從上而下分層進行邊仰坡開挖。在確定入洞口處位置時，需要建立洞外排水溝進行排水與截水，這樣才能使得地表水較好運用。按設計坡度對邊仰坡進行一次整平工作，并逐級分步對邊坡進行防護。通過這種手段使得巖石保持較好狀態，防止雨水沖刷后導致的坍塌。進行逐級開挖工作時，將兩排錨桿高度設定為作業高度，開挖過程中使用的臺階高為3 m。按預計的開挖輪廓線，確定炮眼位置。間隔為45～70 cm，兩側眼間隔為88～89 cm，不同工作面選用FY-284 型風動鑿巖機完成工作。在選擇炸藥時，根據巖石滲水情況，使用乳化炸藥進行，炮眼使用φ26光爆小卷，非電毫秒起爆雷管起爆。用經緯儀測量出開挖輪廓線，并在周圍尋找打眼位置，進行鉆眼與起爆。要求裝藥前務必進行吹眼，根據實際標準進行裝藥，連接正確雷管線，并控制鉆眼精度為3 cm。一次開挖循環的炸藥量計算公式為：

式中：Q為一個爆破循環總用藥量；q為爆破單位巖石的炸藥量；v為巖石總體積。巖面破碎洞段在進行安全處理后，可先噴一層3 cm 厚混凝土，出渣后再進行上述步驟。過程中要不斷檢查已開挖洞段的圍巖穩定情況，提升施工周邊現場的安全性。在石方開挖過程中，需要及時檢查開挖剖面水平，保證邊坡軟弱巖層的質量，加強邊坡安全。開挖完成后，對邊坡開挖質量驗收，設置基礎開挖面的平面尺寸、邊坡平整度。

2.2 支護方案及參數設置

根據巖層屬性制定隧洞支護準則，以此設置隧洞支護參數。在開挖區域前部較為穩定的巖層中，打入超前錨桿，并且將錨桿末端支撐到拱部圍巖中。

按設計開挖半徑超挖30 cm進行放樣，畫出上半洞開挖輪廓線。超挖30 cm畫線是為了錨桿和錨桿內側的工字鋼拱架，在規格外不削減隧洞混凝土的厚度。考慮了錨桿鉆孔的精度，以防個別孔向內偏差。利用手風鉆鉆孔。設置孔徑48 mm，兩側間距300 mm。孔的深度為4.50 m，鉆孔中的橫向角度為5°。開孔位置要求按照標準選擇，錨桿要設置在洞頂120°中。在錨桿施工前，先注入砂漿再用氣腿式風鉆送入錨桿。如果圍巖質量相對穩定，可在錨桿外掛設鋼筋并噴射混凝土。如果圍巖質量較差，需運用不同種類的錨桿對圍巖進行支護，再灌注混凝土進行澆筑加固。在隧洞爆破中控制爆破力量，維持隧洞結構穩定，需要及時添加支護防止危險發生。在洞口拱部120°范圍內布置3排Φ25錨桿，長度4.50 m，梅花形布置。洞口設置1.50 m明拱段，洞頂設置帽檐，帽檐尺寸參照設計圖紙。明拱段支護采用16#工字鋼支撐，長度為3.00 m，厚為0.40 m。對圍巖進行有效的約束，防止產生坍塌等安全問題產生。要參照隧洞施工的標準規范來進行，保證灌漿的有效性，減少隧洞漏水問題。在灌漿時分成不同段，控制段間距為50 m。回填灌漿后要進行固結灌漿，間隔時間約為7-14 d，為保證充分灌漿運用梅花形的方式進行澆筑。

3 數值模擬分析

為檢測新建放空沖砂隧洞的應用效果，在施工中設置五個施工小組，運用川字布點法對施工結果進行觀測。當隧洞兩幫收斂量在60 mm以內時為隧洞施工預期目標。

運用FLAC3D 有限差分軟件對變形進行隧洞整體數值模擬。根據隧洞大小進行建模為30 m×30 m×10 m。隧洞埋深450 m，圍巖平均重量為1.30萬N/m3，豎直應力為13.60 MPa，并選擇合適的力學模型建立。在邊界施加X軸方向的約束，在底部施加Y 軸方向的約束，并在頂部施加應力邊界值，完成對于位移量的約束。主要觀測數據為隧洞兩幫收斂量和隧洞頂底板位移量。根據不同施工小組隧洞的變形程度，對不同小組設置不同的參數。

3.1 結果分析

5個施工小組的施工結果如表1所示。

表1 各個施工小組施工結果表

在開挖前后隧洞兩幫收斂量對比如圖1所示。

圖1 隧洞兩幫收斂量圖

由結果可知，隧洞兩幫變形量較開挖前更小。隨著觀測時間增加，隧洞兩幫變形收斂量均在60 mm之內，收斂量明顯減小，增長速度較為平緩，基本控制了隧洞兩幫的變形程度，滿足設計需求。不僅提升了隧洞的抗力和抗剪應力，還保證了隧洞的穩定性，增加了施工的安全性。

綜上所述，對隧洞圍巖的水X 軸位移進行分析，圍巖在水平方向的變形使得隧洞兩幫的收縮，從而產生隧洞鋼梁的變形。在不同支護小組中，圍巖水平位移變化幾乎保持相同，兩幫相對位移量為213～214 mm。在水平位移約束中，隧洞整體設計較優。同時，對隧洞的Y軸變形進行分析。隧洞圍巖在垂直方向的變形會引起頂底板的過度沉降，使得頂板發生塌陷。從而發生整體結構變形情況。在施工方案實施后，頂底板相對位移量為354～357 mm 之間。隧洞在錨桿和鋼帶支護作用下，隧洞表面巖體的完整性得到了明顯的提升。兩幫和頂板的破損分布較為集中，且隨著應力的大小保持一定的穩態趨勢，塑性區范圍沒有發生變化。根據上述數值模擬結果及施工成本整合來看，整體施工效果較為良好。

4 結語

為了提高隧道的穩定性與安全性，研究了新建放空沖砂隧洞開挖及支護數值模擬。設置數值模擬參數以及模擬方案，以此進行數值模擬，經過模擬驗證了本文方法能夠提高隧道的穩定性，保證了成型后深挖方段落能有效使用，加快了施工速度，實現了隧洞工程項目的安全施工。今后在研究中，可以繼續優化斷面參數及錨桿布置參數，對提高結構穩定性加以要求，設計優化支護方案，提升圍巖強度。實現隧洞施工中開挖及支護更高效、安全的應用。