裂隙破碎帶水工隧洞支護參數(shù)優(yōu)化模擬及現(xiàn)場試驗分析

湯小飛，宋焰龍

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321； 2.江蘇省灌溉動力管理一處，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

水工隧洞是水工建筑中較為復雜的地下結構物，也是整個引水工程中最為重要的一部分。在水工隧洞的建設過程中，隧洞難免會穿越一些不利地質(zhì)條件區(qū)域，嚴重影響局部區(qū)域內(nèi)隧洞施工安全及使用安全。當遇到這種問題時，由于地質(zhì)條件的差異性與多樣性，現(xiàn)行的規(guī)范并不能完全解決，隧洞支護結構設計仍缺少足夠的理論指導。目前，在水工隧洞建設中，對于復雜條件下隧洞支護設計采用數(shù)值分析與各圍巖等級下的經(jīng)驗結合，綜合設計隧洞支護。對于穿越裂隙破碎帶的水工隧洞，其結構支護、結構要求更高。但不能為了保證支護結構安全而盲目使用材料來增加支護結構的強度，支護結構不僅要滿足強度要求同時也要盡可能節(jié)約材料用量，因此對支護結構的參數(shù)優(yōu)化工作必不可少[1-5]。

本文依托實際工程，就裂隙破碎帶的水工隧洞支護結構進行研究。通過FLAC3D5.00軟件，對裂隙破碎帶的水工隧洞進行建模仿真分析，并結合原位試驗與可靠度理論方法，綜合調(diào)整水工隧洞結構的參數(shù)，對隧洞支護結構進行優(yōu)化分析，使水工隧洞支護結構滿足安全性、經(jīng)濟性要求。

1 工程概況

水工隧洞位于武夷山脈西側，全長2.89 km，跨徑10.25 m，高7.0 m，隧洞埋深處主要為中風化花崗片麻巖，巖芯較破碎，局部區(qū)域破碎，采芯率73%～92%，強度45～60 MPa，ROD值為40～82。隧洞沿線主要穿過3個斷裂帶，對隧洞的影響寬度均為30 m左右，斷裂帶巖體破碎，裂隙發(fā)育，為V級圍巖。隧洞上部地表溝壑縱橫，存在多處地表徑流，最高徑流量超過1 600 m3/h。地下水廣泛分布在隧洞建設區(qū)域內(nèi)，包括孔隙水與裂隙水，隧道埋深范圍內(nèi)地下水含量豐富。水工隧洞開挖至裂隙破碎帶時，掌子面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2 建模分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D5.0軟件對水工隧洞建模，模型核心區(qū)域為隧洞及隧洞周邊圍巖。為了模擬隧洞穿越裂隙破碎帶，在隧洞模型縱向設置一段全截面、縱長為2 m的裂隙破碎區(qū)。另外，根據(jù)現(xiàn)場隧洞施工采用的臺階開挖法，隧洞模型內(nèi)部分為上下兩層，層間邊界與隧洞埋深位置處土層交界面保持一致。對于本次模擬過程中主要的支護部分，分別采用殼單元模擬隧洞支護噴射混凝土、梁單元模擬隧洞支護鋼拱架、錨桿單元模擬隧洞支護錨桿。隧洞模型效果圖見圖1。

圖1 隧洞及周邊模型效果圖

在建立好隧洞及其周圍模型后，按照隧洞開挖影響范圍理論，模型水平向邊界設定在隧洞斷面最大寬度的5倍以上距離處，故兩側向外延伸距離設定為60 m。隧洞上方土體高度取現(xiàn)場實際隧洞埋深，即隧洞頂端到上邊界的距離為45 m，隧洞底板距下邊界50 m。建模截面圖見圖2。

圖2 建模截面圖

2.2 模型參數(shù)選擇

為了對隧洞開挖后的支護參數(shù)進行模擬研究，首先對裂隙破碎段處參數(shù)進行設定，由規(guī)范中對V級圍巖的參數(shù)范圍(表1)，對裂隙破碎帶巖土體參數(shù)取值見表2。之后對3種主要支護結構參數(shù)進行選取，結果見表3。

表1 V級圍巖參數(shù)范圍

表2 本次建模巖土體參數(shù)選擇

表3 3種主要支護結構參數(shù)值

2.3 隧洞錨桿參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化分析

隧洞錨桿參數(shù)的數(shù)值模擬優(yōu)化分析主要通過調(diào)整錨桿布設的長度和隧洞截面錨桿間距進行，根據(jù)材料的自身強度與支護結構要求的強度值找出錨桿的最佳布設方式。

在錨桿長度方面，選取的錨桿長度在3～5 m范圍內(nèi)，每增加0.25 m進行一次模擬，得出在不同錨桿長度條件下的圍巖壓力變化圖與塑性區(qū)變化圖，見圖3。

在錨桿截面間距方面，取等長錨桿，間距范圍0.6～1 m布設，組距取0.1 m分別進行模擬，得到的結果見圖4。

圖3 隧洞錨桿長度對隧洞支護作用影響曲線圖

圖4 隧洞錨桿截面間距對支護作用影響曲線圖

根據(jù)模擬的結果可知，錨桿長度越長，圍巖壓力越小、塑性區(qū)范圍越小；錨桿的截面間距越小，圍巖壓力越小、塑性區(qū)范圍越小。其中，錨桿長度對隧洞支護影響程度接近正比例關系。在圖3(b)中可以看出，錨桿長度超過4.25 m時曲線斜率越來越小，說明此時錨桿長度的增加對塑性區(qū)范圍的改變量降低，加固效果并沒有顯著增強，最大主應力與最小主應力趨于穩(wěn)定，滿足支護強度要求，故錨桿長度取值宜取4.25 m左右。錨桿截面間距越小，隧洞支護效果越好。但在圖4(b)中可以看出，隨著間距的增加，塑性區(qū)范圍增加量大致呈4種增長趨勢且越來越大，這就表明在0.7～0.9 m間距范圍內(nèi)，減小錨桿布設間距對塑性區(qū)范圍的改變量已經(jīng)不太明顯，故錨桿的截面間距宜取0.7～0.9 m內(nèi)的值。

2.4 隧洞鋼拱架參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化分析

隧洞鋼拱架參數(shù)的數(shù)值模擬優(yōu)化分析主要通過調(diào)整拱架的縱向間距進行，根據(jù)鋼拱架材料的自身強度與支護結構要求的強度值找出鋼拱架的最佳布設方式?，F(xiàn)取鋼拱架縱向間距0.5～1.2 m范圍，組距0.1 m，分別進行模擬分析。得出的結果繪制成曲線，見圖5。

根據(jù)模擬結果可知，隨著鋼拱架間距的降低，拱架的支護效果增強。但從圖5(a)和圖5(b)中可以明顯發(fā)現(xiàn)，當間距小于0.9 m后圍巖壓力與塑性區(qū)范圍均趨于穩(wěn)定，鋼拱架受到的軸力與彎矩也在此時有明顯的變化，故鋼拱架的縱向間距宜取0.9 m左右。

圖5 鋼拱架間距對隧洞支護效果影響圖

2.5 隧洞噴射混凝土參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化分析

對于隧洞支護作用產(chǎn)生影響的因素還包括噴射混凝土的厚度。為了探究這一參數(shù)度支護效果的影響，在其他條件相同時，分別模擬混凝土厚度為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45和0.5 m時對隧洞的支護效果，模擬的結果繪制成曲線，見圖6。

圖6 噴射混凝土厚度對隧洞支護作用影響圖

根據(jù)模擬結果可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，圍巖壓力逐漸減小，塑性區(qū)范圍逐漸降低。當混凝土厚度超過0.40 m時，圍巖應力減小趨勢以及塑性區(qū)范圍減小趨勢均開始變緩，說明此時混凝土的厚度增加對支護效果影響已經(jīng)明顯降低，故噴射混凝土的厚度宜取0.40 m左右。

3 原位試驗分析

通過前面數(shù)值模擬分析，已經(jīng)初步得出對隧洞支護結構參數(shù)優(yōu)化值。為了進一步研究得出結果在實際工程中的效果，進行原位試驗，分析所得結果，與數(shù)值模擬結果對比。

3.1 原位試驗設計

本次原位試驗主要分為兩個試驗段，試驗段區(qū)域縱向長度為20 m，每個試驗段的支護形式均為圖7所示的結構形式，區(qū)別在于支護結構中錨桿、鋼拱架以及噴射混凝土的參數(shù)選取不同。

第一試驗段采用的支護結構尺寸及布設按斷層破碎帶隧洞支護設計取參數(shù)：鋼拱架縱向間隔0.6 m，噴射混凝土厚度為0.5 m，錨桿長度為7.0 m，錨桿的縱向間隔距離為1.0 m，截面間隔距離為0.4 m。第二試驗段采用的支護結構尺寸及布設按以上闡述的數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化結果進行取值：鋼拱架縱向間隔0.8 m，噴射混凝土厚度取0.40 m，錨桿長度取4.25 m，截面環(huán)向間距取0.70 m。

圖7 試驗段支護結構斷面構造示意圖

3.2 原位試驗結果分析

對上述兩個試驗段的結果進行對比分析，由于第一試驗段采用的方法較為保守且各部分支護結構均在第二試驗段的基礎上保持不變或有所增強，故在此僅對第二試驗段的監(jiān)測結果進行分析。

1) 對第二試驗段內(nèi)鋼拱架監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，鋼拱架受力圖見圖8。

2) 對第二試驗段噴射混凝土監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，結果見圖9。

3) 對圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。由現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)顯示，隧洞斷面各處產(chǎn)生的位移見表4。

圖8 鋼拱架受力圖

圖9 噴射混凝土應力圖

表4 隧洞斷面各點位移值

由表4數(shù)據(jù)可知，隧洞兩端的位移值較大，符合裂隙破碎帶處隧洞受力變形特征，實測隧洞內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)支護結構開裂等不利現(xiàn)象。

4 結 論

通過數(shù)值模擬分析以及原位試驗結果可以得出以下結論：①由裂隙破碎帶隧洞設計方法得到的隧洞支護參數(shù)值較為保守；②優(yōu)化的支護參數(shù)主要包括噴射混凝土厚度(較未優(yōu)化區(qū)段減少0.1 m)、鋼拱架縱向間距(較未優(yōu)化區(qū)段增加0.2 m)、錨桿的長度(較未優(yōu)化區(qū)段減少3 m)、錨桿的環(huán)向間距(較未優(yōu)化區(qū)段增加0.3 m)；③優(yōu)化后的參數(shù)應用到實際隧洞施工后，經(jīng)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)各部分支護結構均處于正常受力狀態(tài)，滿足隧洞結構的強度穩(wěn)定性要求。