輸水隧洞主洞和支洞交匯區(qū)施工方法比選研究

張立群

(朝陽縣凌河保護(hù)區(qū)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(qū)自流引水，經(jīng)過輸水管線及隧洞，將水引到本溪市的一項(xiàng)大型引水工程，工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)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(jí)建筑物，輸水隧洞、輸水管道及其附屬建筑物等根據(jù)輸水流量為2～3級(jí)建筑物，次要建筑物為3～4級(jí)建筑物。由于輸水隧洞較長(zhǎng)，因此，設(shè)計(jì)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(qū)具有更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，其在開挖施工中的圍巖變形特征和常規(guī)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(qū)的特殊特點(diǎn)，特別是變形特征的獨(dú)特性，而采用常規(guī)的開挖工法和支護(hù)方式，可能難以發(fā)揮良好的工程效果，進(jìn)而影響到交匯區(qū)和后續(xù)主隧洞的開挖施工安全[4]。因此，對(duì)主洞和支洞交匯區(qū)圍巖變形特征進(jìn)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(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

FLAC3D是由美國(guó)Itasca Consulting Group Inc公司開發(fā)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(jì)算方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可[5]。因此，此次研究選擇FLAC3D軟件對(duì)觀音閣輸水工程輸水隧洞主洞和3#支洞交匯區(qū)進(jìn)行建模模擬計(jì)算。

鑒于工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和施工過程的復(fù)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(shù)值模擬軟件并不能完美還原工程現(xiàn)場(chǎng)的所有情況，而需要做出一些合理的假設(shè)：在模型構(gòu)建過程中，將圍巖視為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的介質(zhì)，不考慮節(jié)理和裂隙的影響；由于研究洞段埋深較大，難以對(duì)上覆巖土體進(jìn)行全部模擬，因此，以垂直應(yīng)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(qū)的構(gòu)造應(yīng)力分布均勻；研究中僅考慮初支結(jié)構(gòu)的影響，不考慮二襯的支護(hù)作用；由于工程區(qū)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(qū)的地質(zhì)報(bào)告和實(shí)際工程為基礎(chǔ)，利用Rhinoceros軟件構(gòu)建交匯區(qū)的三維模型，再利用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行施工過程模擬計(jì)算。模型計(jì)算過程中為了減小邊界效應(yīng)的實(shí)際影響，設(shè)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(gè)幾何模型的總長(zhǎng)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(jù)工程實(shí)際，模型中的主隧洞和支洞的夾角為37.5°。隧洞的初支結(jié)構(gòu)為鋼拱架、鋼筋網(wǎng)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(gè)模型劃分為70 223個(gè)單元和48 264個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 模型參數(shù)與邊界條件

根據(jù)背景工程超前探測(cè)獲得的地質(zhì)資料和施工方案，確定此次數(shù)值模擬研究的模型材料的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。為了模型計(jì)算簡(jiǎn)化要求，研究中以剛度等效原理將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)轉(zhuǎn)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(xué)參數(shù)

為了提高模擬計(jì)算的精度，需要選擇合適的本構(gòu)模型。在此次研究中，選擇摩爾-庫倫本構(gòu)模型描述圍巖巖體的力學(xué)行為，以彈性模型描述初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的力學(xué)行為，利用null單元定義隧洞被開挖巖體。對(duì)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(jì)算方案

為了研究不同開挖工法對(duì)交匯區(qū)圍巖變形的影響，研究中選擇全斷面開挖法、雙臺(tái)階開挖法、三臺(tái)階開挖法、預(yù)留核心土法、CRD法等5種不同的施工方法進(jìn)行建模分析，具體的施工參數(shù)如表2所示。

表2 交叉角37.5°各計(jì)算方案施工參數(shù) m

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖變形

研究中對(duì)不同開挖施工方案下的圍巖關(guān)鍵部位的沉降和收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表3所示。由表中的結(jié)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(duì)圍巖變形存在顯著影響，對(duì)不同施工工法進(jìn)行比選具有重要的工程意義和價(jià)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(tái)階法方案、三臺(tái)階法和預(yù)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(gè)部分進(jìn)行開挖，可以有效減小開挖擾動(dòng)的影響，減少圍巖變形。在開挖主洞和支洞交匯區(qū)的施工中，CRD法需要設(shè)置中隔墻等臨時(shí)支護(hù)，因此，對(duì)交匯區(qū)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(cè)與主洞相接，開挖施工對(duì)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(jì)算結(jié)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(yōu)勢(shì)，可以有效控制圍巖位移變形。

表3 關(guān)鍵部位位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mm

3.2 圍巖應(yīng)力

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

表4 圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

3.3 噴射混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力

研究中對(duì)不同開挖施工方案下的噴射混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和彎矩進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如表5所示。由計(jì)算結(jié)果可知，全斷面開挖法的噴射混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力和彎矩最大值最大，其次是雙臺(tái)階法方案、三臺(tái)階法和預(yù)留核心土法，CRD法的最小。從具體的計(jì)算結(jié)果來看，采取CRD法與采用傳統(tǒng)的全斷面開挖法相比，噴射混凝土結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力最大值減小約44.56%；壓應(yīng)力最大值減小約61.32%；正彎矩最大值減小約65.76%；負(fù)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(jié)構(gòu)應(yīng)力方面具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。

表5 噴射混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、彎矩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

此次研究以觀音閣輸水工程為例，利用數(shù)值模擬的方式探討了不同開挖施工工法對(duì)輸水隧洞主洞和支洞交匯區(qū)的影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)施工方法進(jìn)行優(yōu)選。計(jì)算結(jié)果顯示，CRD法在控制圍巖變形、圍巖應(yīng)力和噴射混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，為最佳施工工法。研究結(jié)果不僅對(duì)背景工程的設(shè)計(jì)建設(shè)具有重要的支持作用，對(duì)相關(guān)類似工程研究和施工也具有重要的借鑒意義。當(dāng)然，此次研究?jī)H針對(duì)施工工法展開研究，而施工安全穩(wěn)定性還受到埋深、主洞和支洞的交匯角以及圍巖等級(jí)等諸多因素的影響。因此，在今后的研究中需要進(jìn)一步考慮其他因素的影響，以獲得更為全面和科學(xué)的研究結(jié)論。