輸水隧洞主洞和支洞交匯區施工方法比選研究

張立群

(朝陽縣凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122629)

1 研究背景

遼寧省觀音閣水庫輸水工程是從遼寧省本溪縣的觀音閣水庫庫區自流引水，經過輸水管線及隧洞，將水引到本溪市的一項大型引水工程，工程設計輸水規模為125萬t/d[1]。本工程主要建筑物包括取水頭部、輸水隧洞、電站、輸水管道、配水站及分支管線等工程，工程等別為Ⅱ等[2]。主要建筑物取水頭部、電站為2級建筑物，輸水隧洞、輸水管道及其附屬建筑物等根據輸水流量為2～3級建筑物，次要建筑物為3～4級建筑物。由于輸水隧洞較長，因此，設計有4條大型施工支洞。由于施工支洞的存在，主洞和支洞的交匯區具有更為復雜的空間結構，其在開挖施工中的圍巖變形特征和常規隧洞相比也存在比較顯著的差異[3]。因此，如果不考慮交匯區的特殊特點，特別是變形特征的獨特性，而采用常規的開挖工法和支護方式，可能難以發揮良好的工程效果，進而影響到交匯區和后續主隧洞的開挖施工安全[4]。因此，對主洞和支洞交匯區圍巖變形特征進行深入分析和研究，確定合適的開挖施工工法具有十分重要的意義和作用。

2 有限元計算模型

2.1 計算模型的構建

FLAC3D是由美國Itasca Consulting Group Inc公司開發的一款大型通用有限差分模擬軟件，在地下洞室工程開挖和圍巖變形模擬計算方面具有顯著的優勢，得到業界的廣泛認可[5]。因此，此次研究選擇FLAC3D軟件對觀音閣輸水工程輸水隧洞主洞和3#支洞交匯區進行建模模擬計算。

鑒于工程現場的地質條件和施工過程的復雜性，在研究中需要面臨諸多不確定性因素的影響[6]。因此，數值模擬軟件并不能完美還原工程現場的所有情況，而需要做出一些合理的假設：在模型構建過程中，將圍巖視為均質、連續、各向同性的介質，不考慮節理和裂隙的影響；由于研究洞段埋深較大，難以對上覆巖土體進行全部模擬，因此，以垂直應力代替上覆巖層的重量，并以均布荷載的方式施加于模型上邊界；假定主洞和支洞交匯區的構造應力分布均勻；研究中僅考慮初支結構的影響，不考慮二襯的支護作用；由于工程區地下水埋深較大，研究中不考慮地下水的作用[7]。

研究中以研究區的地質報告和實際工程為基礎，利用Rhinoceros軟件構建交匯區的三維模型，再利用FLAC3D有限差分軟件進行施工過程模擬計算。模型計算過程中為了減小邊界效應的實際影響，設置輸水隧洞主洞邊墻與模型邊界的距離是主洞開挖洞徑的5倍[8]。整個幾何模型的總長度為100 m，模型的總高度和總寬度均為50 m，隧洞拱頂和模型頂部邊界的距離為20 m。根據工程實際，模型中的主隧洞和支洞的夾角為37.5°。隧洞的初支結構為鋼拱架、鋼筋網以及噴射混凝土。主洞和支洞的初支厚度分別為250 mm和200 mm。整個模型劃分為70 223個單元和48 264個節點。

2.2 模型參數與邊界條件

根據背景工程超前探測獲得的地質資料和施工方案，確定此次數值模擬研究的模型材料的物理力學參數，結果如表1所示。為了模型計算簡化要求，研究中以剛度等效原理將鋼拱架和鋼筋網轉化為噴射混凝土，并以其彈性模量代替。

表1 模型材料物理力學參數

為了提高模擬計算的精度，需要選擇合適的本構模型。在此次研究中，選擇摩爾-庫倫本構模型描述圍巖巖體的力學行為，以彈性模型描述初期支護和臨時支護的力學行為，利用null單元定義隧洞被開挖巖體。對模型的底部施加全位移約束，模型的四周施加水平位移約束，模型的頂部不施加位移約束，為自由邊界條件。在模型的上表面施加7.6 MPa的均布荷載，以模擬隧洞上覆巖層的重力作用。

2.3 計算方案

為了研究不同開挖工法對交匯區圍巖變形的影響，研究中選擇全斷面開挖法、雙臺階開挖法、三臺階開挖法、預留核心土法、CRD法等5種不同的施工方法進行建模分析，具體的施工參數如表2所示。

表2 交叉角37.5°各計算方案施工參數 m

3 計算結果與分析

3.1 圍巖變形

研究中對不同開挖施工方案下的圍巖關鍵部位的沉降和收斂變形數據進行整理，結果如表3所示。由表中的結果可知，不同開挖工法下隧洞圍巖的沉降變形和水平收斂變形均存在比較顯著的差異。由此可見，不同開挖工法對圍巖變形存在顯著影響，對不同施工工法進行比選具有重要的工程意義和價值。具體來看，無論是沉降變形還是收斂變形，全斷面開挖法的變形量最大，其次是雙臺階法方案、三臺階法和預留核心土法，CRD法的變形量最小。由此可見，將隧洞斷面分為多個部分進行開挖，可以有效減小開挖擾動的影響，減少圍巖變形。在開挖主洞和支洞交匯區的施工中，CRD法需要設置中隔墻等臨時支護，因此，對交匯區的圍巖變形控制更為有效，變形量最小。另一方面，由于施工支洞在主洞的右側與主洞相接，開挖施工對右拱腰的影響較大，右拱腰的圍巖收斂變形量顯著大于左拱腰。從具體的計算結果來看，CRD法與全斷面開挖法相比，拱頂沉降變形減小了約41.74%；底板隆起變形減小了約29.24%；左拱腰收斂變形減小了約31.06%；右拱腰收斂變形減小了約24.89%。因此，CRD法與隧洞其他部位采用的全斷面開挖法相比，具有顯著的優勢，可以有效控制圍巖位移變形。

表3 關鍵部位位移監測數據 mm

3.2 圍巖應力

利用構建的有限元模型，對5種不同開挖施工工法下的圍巖豎向和水平應力分布情況進行模擬計算，從計算結果中提取出隧洞圍巖的拱頂、邊墻中部和拱腳三個關鍵部位的應力值，結果如表4所示。從計算結果來看，圍巖應力的變化規律與圍巖位移類似，各部位的豎向應力和水平應力的變化規律較為一致，全斷面開挖法的變形量最大，其次是雙臺階法方案、三臺階法和預留核心土法，CRD法的圍巖應力值最小。由此可見，將隧洞斷面分為多個部分進行開挖，可以有效減小開挖擾動的影響，從而減小圍巖應力值。在開挖主洞和支洞交匯區的施工中，CRD法需要設置中隔墻等臨時支護，對交匯區的圍巖變形控制更為有效，因此，各部位的應力值最小。

表4 圍巖應力計算結果 MPa

3.3 噴射混凝土結構應力

研究中對不同開挖施工方案下的噴射混凝土結構的應力和彎矩進行模擬計算，結果如表5所示。由計算結果可知，全斷面開挖法的噴射混凝土結構應力和彎矩最大值最大，其次是雙臺階法方案、三臺階法和預留核心土法，CRD法的最小。從具體的計算結果來看，采取CRD法與采用傳統的全斷面開挖法相比，噴射混凝土結構的拉應力最大值減小約44.56%；壓應力最大值減小約61.32%；正彎矩最大值減小約65.76%；負彎矩最大值減小約65.35%。由此可見，CRD法在控制噴射混凝土結構應力方面具有較為顯著的優勢。

表5 噴射混凝土結構應力、彎矩監測數據

4 結 語

此次研究以觀音閣輸水工程為例，利用數值模擬的方式探討了不同開挖施工工法對輸水隧洞主洞和支洞交匯區的影響，并根據計算結果對施工方法進行優選。計算結果顯示，CRD法在控制圍巖變形、圍巖應力和噴射混凝土結構應力方面具有十分明顯的優勢，為最佳施工工法。研究結果不僅對背景工程的設計建設具有重要的支持作用，對相關類似工程研究和施工也具有重要的借鑒意義。當然，此次研究僅針對施工工法展開研究，而施工安全穩定性還受到埋深、主洞和支洞的交匯角以及圍巖等級等諸多因素的影響。因此，在今后的研究中需要進一步考慮其他因素的影響，以獲得更為全面和科學的研究結論。