引水隧洞碎屑沉積地層洞段三臺(tái)階法開挖參數(shù)優(yōu)化研究

張遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司， 遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

阜新引白水源二期工程為遼寧省重點(diǎn)建設(shè)的水利工程項(xiàng)目，主要由取水頭部、預(yù)處理廠、加壓泵站、凈水廠、輸水管線和輸水隧洞等分項(xiàng)工程構(gòu)成。其中，工程的輸水管線全長(zhǎng)81km，設(shè)計(jì)日引水能力為30萬m3/d。工程的輸水隧洞為長(zhǎng)1662m的無壓自流隧洞，進(jìn)口和出口的洞底高程分別為193.3m和192.4m。隧洞斷面為城門洞型設(shè)計(jì)，隧洞的進(jìn)口和出口部位設(shè)置有連接井。其中一標(biāo)J3號(hào)主洞的施工區(qū)間穿越多條破碎帶、斷層以及構(gòu)造帶，給開挖施工帶來了一定的困難。其中樁號(hào)J30+103—J33+205洞段分布有廣泛的碎屑沉積地層，其巖性主要以泥質(zhì)片巖、砂巖為主，此類巖體不僅具有明顯的節(jié)理發(fā)育且內(nèi)部孔隙度大、抗壓強(qiáng)度低，因此承載力較弱，容易產(chǎn)生較大的變形[1]。結(jié)合工程實(shí)際和相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，三臺(tái)階開法每臺(tái)階的開挖斷面尺寸相對(duì)較小，因此在開挖過程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)也相對(duì)較小，更有利于隧洞開挖施工過程中的安全和穩(wěn)定，因此擬采用三臺(tái)階法進(jìn)行該洞段的開挖施工[2]。為保證施工的順利進(jìn)行，本文利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)開挖過程中的臺(tái)階高度和長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，以期為施工設(shè)計(jì)提供必要的參考。

2 ANSYS有限元模型

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

根據(jù)施工前的工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，研究洞段的J31+055— J31+104洞段為典型的碎屑沉積地層，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，因此選擇該洞段構(gòu)建有限元數(shù)值模擬計(jì)算模型，進(jìn)行有限元分析。理論分析表明，在均勻彈性無限域中開挖的地下洞室工程，基于卸荷釋放引起的圍巖應(yīng)力和位移變化，在5倍洞徑范圍之外將小于1%[3]。因此，兼顧計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和效率，研究中將模型左右和下部的計(jì)算范圍確定為5倍洞徑，上部至地表，模型長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為20m，整個(gè)計(jì)算剖面的尺寸為60m×55m×20m[4]。在結(jié)合模型的構(gòu)建過程中，以隧洞軸線指向下游的方向?yàn)閤軸正方向，以垂直與x軸指向右岸的方向?yàn)閥軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閦軸正方向。

對(duì)構(gòu)建的幾何模型采用SOLID45八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模擬[5]。為了提高模擬的精度和效率，對(duì)不同的部位采取不同的網(wǎng)格密度，被開挖部位采取精度更高的網(wǎng)格劃分，并逐漸向四周發(fā)散變大[6]。最終整個(gè)模型被劃分為15679個(gè)計(jì)算單元，13464個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

鑒于研究洞段的埋深較大，且地質(zhì)環(huán)境較差，選擇位移和應(yīng)力邊界條件[7]。具體而言，對(duì)構(gòu)建模型的左右表姐施加水平方向的位移約束，下邊界施加豎直方向的位移約束，上邊界為自由邊界條件[8]。結(jié)合地質(zhì)和圍巖參數(shù)，對(duì)模型的上邊界施加0.65MPa的法向均布荷載，對(duì)模型的兩側(cè)施加0.84MPa的水平應(yīng)力[9]。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)值及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方式獲得圍巖巖體的物理力學(xué)參數(shù)：圍巖的彈性模量為2.5GPa、泊松比為0.26、密度為2630kg/m3、內(nèi)摩擦角為31.5°、黏聚力為0.1MPa[10]。

2.3 模型的加載和計(jì)算

在模型的網(wǎng)格劃分好之后，對(duì)網(wǎng)格模型施加必要的邊界條件和重力加速度，對(duì)左右面上的所有節(jié)點(diǎn)施加水平位移和水平應(yīng)力，對(duì)底面上的所有節(jié)點(diǎn)施加豎向位移約束，對(duì)前后面上的所有節(jié)點(diǎn)施加y向位移約束，對(duì)模型的上邊界施加自由邊界條件，同時(shí)施加法向均布荷載以模擬圍巖自重[11]。設(shè)置分析類型為靜態(tài)分析，將迭代次數(shù)設(shè)計(jì)為1000次，每次求解分為10個(gè)荷載步，將力和位移的收斂系數(shù)設(shè)定為0.05，打開時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)器、線性搜索以及大位移效果，選擇全牛頓-拉普森迭代方法。

2.4 模擬方案

研究洞段擬采用三臺(tái)階開挖法，但是開挖臺(tái)階的高度和長(zhǎng)度不僅會(huì)影響開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生顯著影響[12]，為了進(jìn)一步控制好圍巖變形，研究中對(duì)設(shè)置不同的臺(tái)階高度和長(zhǎng)度參數(shù)，建立多組有限元模型，展開上述兩個(gè)指標(biāo)的優(yōu)化研究。鑒于三臺(tái)階開挖法中的上臺(tái)階高度對(duì)圍巖變形影響較大，因此將其作為唯一的變量，結(jié)合相關(guān)研究成果和施工規(guī)范、設(shè)置1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0m六組工況進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)于臺(tái)階長(zhǎng)度，選擇1.0、1.5、2.0、2.5m四組工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 臺(tái)階高度優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，保持其他參數(shù)不變，對(duì)不同上臺(tái)階高度工況下的圍巖位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取關(guān)鍵部位的位移最大值，結(jié)果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知，在隧洞開挖過程中拱頂沉降位移和仰拱隆起位移隨著上臺(tái)階高度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的特點(diǎn)，當(dāng)上臺(tái)階高度為1.6m時(shí)，拱頂沉降位移和仰拱隆起位移量最小。從拱腰的水平位移來看，其最大值和最小值隨著上臺(tái)階高度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的特點(diǎn)，且在上臺(tái)階高度為1.4m時(shí)達(dá)到為最小。

表2 不同上臺(tái)階高度下的位移計(jì)算結(jié)果

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，保持其他參數(shù)不變，對(duì)不同上臺(tái)階高度工況下的圍巖噴混結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值，結(jié)果如圖2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，噴混結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力隨著上臺(tái)階開挖高度的增加，呈現(xiàn)出先減小后增加的態(tài)勢(shì)。其中，上臺(tái)階開挖高度為1.4m時(shí)，最大拉應(yīng)力值最小，當(dāng)上臺(tái)階開挖高度為1.6m時(shí)，最大壓應(yīng)力的值最小。

圖2 噴混結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨上臺(tái)階開挖高度變化曲線

綜合上述計(jì)算結(jié)果，上臺(tái)階開挖高度為1.4m時(shí)，拱腰水平位移值和噴混結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值最小，而豎向位移最大值和和最大壓應(yīng)力值與開挖高度為1.6m時(shí)的計(jì)算結(jié)果比較接近。因此，建議在三臺(tái)階開挖施工中，選擇1.4m的上臺(tái)階開挖高度。

3.2 臺(tái)階長(zhǎng)度優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，保持其他參數(shù)不變，對(duì)不同臺(tái)階長(zhǎng)度工況下的圍巖位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取關(guān)鍵部位的位移最大值，結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知，臺(tái)階長(zhǎng)度1.0、1.5、2.0m三種工況下的拱頂沉降和仰拱隆起變形比較接近，當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度為2.5m時(shí)的拱頂沉降位移迅速增加，仰拱沉降位移基本為0，原因可能是臺(tái)階過長(zhǎng)導(dǎo)致拱頂變形實(shí)踐較長(zhǎng)，因此沉降量增加明顯。從拱腰的水平位移來看，其最大值和最小值隨著上臺(tái)階高度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的特點(diǎn)，且在上臺(tái)階高度為1.4m時(shí)達(dá)到為最小。從水平位移來看，當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度小于2.0m時(shí)，水平位移隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而小幅下降，而臺(tái)階長(zhǎng)度大于2.0m時(shí)，水平位移隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而增加。鑒于增加臺(tái)階長(zhǎng)度有利于提高施工效率，因此從位移變形計(jì)算結(jié)果來看，最優(yōu)臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)為2.0m。

表3 不同上臺(tái)階高度下的位移計(jì)算結(jié)果

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，保持其他參數(shù)不變，對(duì)不同臺(tái)階長(zhǎng)度工況下的圍巖噴混結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值，結(jié)果如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，噴混結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力隨著臺(tái)階開挖長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)出不斷減小的態(tài)勢(shì)，但是減小的幅度極為有限；噴混結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力隨著臺(tái)階開挖長(zhǎng)度的增加基本保持不變。由此可見，臺(tái)階開挖長(zhǎng)度對(duì)噴混結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響極為有限，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以不予考慮。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，臺(tái)階開挖長(zhǎng)度為2.0m時(shí)，對(duì)控制圍巖的位移和提高施工效率最為有利，而臺(tái)階開挖長(zhǎng)度對(duì)噴混結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響極為有限。因此，建議在三臺(tái)階開挖施工中，選擇2.0m的臺(tái)階開挖長(zhǎng)度。

圖3 噴混結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨上臺(tái)階開挖高度變化曲線

4 結(jié)語

此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方式對(duì)碎屑沉積地層洞段三臺(tái)階法開挖過程中的臺(tái)階高度和長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化研究，并獲得了上臺(tái)階開挖高度1.4m，開挖長(zhǎng)度2.0m的最佳施工工藝參數(shù)，對(duì)保證工程施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的指導(dǎo)意義，而研究方法本身也可以為類似工程的施工工藝參數(shù)研究研究提供必要的支持和借鑒。當(dāng)然，碎屑沉積地層地質(zhì)環(huán)境具有復(fù)雜性，其圍巖本身具有崩解性、軟化性等諸多水理性質(zhì)以及強(qiáng)度低、孔隙度大以及蠕變性等特殊物理性質(zhì)。在有限元模型的構(gòu)建過程中沒有考慮到上述性質(zhì)的耦合影響，因此在后續(xù)研究中需要對(duì)上述影響進(jìn)行深入的探索和分析，以期進(jìn)一步提高研究結(jié)果的科學(xué)性和有效性。