輸水隧洞破碎巖洞段大變形控制方案比選研究

劉廣茹

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

某輸水工程是遼寧省十四五期間規(guī)劃建設的重點輸水工程，工程建成之后可以有效解決遼寧省西北部地區(qū)的工業(yè)和生活用水安全[1]。該工程輸水隧洞二標段穿越F33斷層洞段地質(zhì)環(huán)境比較復雜，巖體風化破碎情況比較嚴重，不僅巖性軟弱、整體性較差，同時巖體中還夾雜多層凝灰?guī)r。由于凝灰?guī)r極易遇水軟化，且部分洞段有地下水滲出，圍巖強度應力比小于0.12，對隧洞的襯砌安全造成比較嚴重的威脅。針對該洞段的地質(zhì)情況，擬采用全斷面超前注漿加固和三臺階開挖法的施工方案，同時在施工中做好止水工作，確保開挖施工安全。為了保證施工安全。但是，該洞段的原始工程設計為Ⅳ級錨噴型支護，直墻圓拱洞型，支護鋼架的強度相對較低，并不能有效增強圍巖的承載力，不利于該洞段發(fā)生大變形情況下的變形控制[2]?；诖?，此次研究通過數(shù)值模擬的方法，對大變形控制方案進行優(yōu)化，為工程設計和建設提供有益的支持和借鑒。

1 有限元計算模型

1.1 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研發(fā)的一款速度最快的計算機輔助工程軟件，該軟件可以和多種CAD接口連接，完成數(shù)的交換和共享。ANSYS軟件主要由前處理、計算分析和后處理3個模塊組成，在航空航天、交通、造船、水利、巖土工程、機械制造、能源等多個領域均有廣泛的應用。因此，此次研究選擇ANSYS軟件進行背景工程研究洞段的有限元模型構建[3]。

1.2 模型構建

在研究洞段的大變形模擬計算分析過程中，選擇SD2+221—SD2+271段作為研究對象，該斷面的圍巖等級為Ⅴ級，埋深為40m。研究洞段的圍巖比較破碎，且節(jié)理發(fā)育，在施工過程中容易發(fā)生大變形[4]。由于圍巖巖體整體性較差，因此在模型構建過程中對模型的左右邊界各選取10倍洞徑，上部邊界為地表，下部邊界為5倍洞徑，最終獲得模型的尺寸為160m×82m×50m。對模型利用6面體8節(jié)點單元進行網(wǎng)格劃分，并對隧洞周邊巖體和斷裂部位進行局部加密[5]，最終獲得144682個網(wǎng)格單元，109967個節(jié)點。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.3 模型參數(shù)與邊界條件

受到多種因素的影響，模型地質(zhì)巖體的初始應力變化較大，由于地溫對地下水的影響相對較小可以忽略不計，因此主要考慮巖體自重和地質(zhì)構造作用的影響[6]。在模型計算過程中，將構造應力場和自重應力場進行疊加并施加與模型[7]。另一方面，對模型的側面施加水平位移約束，對模型的底面施加全位移約束，模型的上表面為自由邊界條件[8]。

模型的巖土體分層材料計算參數(shù)依托工程實際，結合前期勘鉆資料和實際開挖情況確定，其具體的取值見表1。

表1 模型土體參數(shù)

2 研究洞段大變形控制方案

由于研究洞段圍巖的巖性比較破碎，因此在確定大變形控制方案時考慮采用屈服支護和阻力支護相結合的聯(lián)合支護措施，并控制方案進行設計和預期優(yōu)選。在方案設計過程中，主要考慮如下支護措施：一是提高研究洞段圍巖的自承力，減小圍巖塑性變形的半徑；二是從開挖支護剛度和允許變形量的角度考慮，對支護體系進行優(yōu)選?；诖?，擬定出如下4種圍巖大變形控制方案進行優(yōu)選。

方案1：該方案采用單層初期支護，預留變形量為20cm；初支結構為厚25cm的C25噴射混凝土+I18鋼拱架，初支成環(huán)與施工掌子面的距離小于12m。

方案2：該方案為“抗放結合”的雙層初支結構設計，預留變形量為40cm。第一層初支結構為厚25cm的C25噴射混凝土+I20鋼拱架；第一層初支結構為厚22cm的C25噴射混凝土+I18鋼拱架；開挖過程中仰拱和下臺階同時開挖

方案3：該方案的支護方案與方案2基本相同，開挖采取的是上下臺階、仰拱填充分別開挖，為“邊抗邊放、抗放結合”。

方案4：該方案采用“強支”單層初期支護的方式，預留40cm的變形量。其中，初支結構為厚27cm的C25噴射混凝土+H175鋼拱架；在邊墻收斂變形達到30cm時施作套拱，套拱采用的是厚22cm的C25混凝土+I18鋼拱架。

3 計算結果與分析

3.1 位移

利用構建的有限元模型，對4種不同方案下輸水隧洞研究洞段圍巖位移進行模擬計算，從計算結果中提取不分時間節(jié)點的拱頂沉降和拱腰收斂位移量，結果見表2。由表中的計算結果可以看出，方案1拱頂累積位移量為47.22mm，拱腰收斂位移量累計值為577.64mm。在圍巖加固之后，拱腰收斂變形得到明顯控制，但是在掌子面開挖之后又開始變形，并且在模擬計算結束時仍沒有穩(wěn)定收斂的趨勢，因此無法保證施工的正常進行。方案2的拱頂累積位移量為54.01mm，拱腰收斂位移量累計值為488.67mm，且計算結束時拱腰變形仍不收斂，表明支護結構無法承受圍巖施加的壓力，隧洞結構的穩(wěn)定性并不理想。方案3的拱頂累積位移量為144.71mm，拱腰收斂位移量累計值為671.91mm，雖然最終位移量相對較大，但是計算結束之后平穩(wěn)收斂，圍巖大變形可以得到有效控制。鑒于變形量較大，如果預留變形在70cm左右可獲得較好的大變形控制效果。方案4拱頂累積位移量為84.44mm，拱腰收斂位移量累計值為340.03mm，與其他方案相比，變形不僅可以獲得穩(wěn)定收斂，且累積位移量明顯較小，可以獲得最佳大變形控制效果。

表2 各控制方案位移量計算結果 單位：mm

3.2 應力

利用構建的有限元模型，對4種不同方案下輸水隧洞研究洞段圍巖位移進行模擬計算，從計算結果中提取不分時間節(jié)點的拱頂沉降和拱腰收斂位移量，結果見表3。由表中的計算結果可以看出，各個設計方案在施工接近完成的情況下，典型部位的最大主應力均表現(xiàn)出收斂的變化趨勢，說明各方案在應力控制方面都具有比較明顯的效果。同時，從表中的計算結果還可以看出，在施工中預留變形可以有效釋放圍巖應力，從而實現(xiàn)對支護結構所承受的圍巖壓力的有效控制，而增加襯砌結構的剛度可以有效提升襯砌對圍巖壓力的承載能力，并表現(xiàn)為支護應力的明顯增大，綜合考慮圍巖應力釋放變化特點以及應力的最大值，方案4的應力控制效果最佳。

表3 各控制方案位最大主應力計算結果 單位：mm

3.3 塑性區(qū)

利用構建的有限元模型，對4種不同方案下輸水隧洞研究洞段圍巖塑性區(qū)進行模擬計算，從計算結果中提取不分時間節(jié)點塑性區(qū)分布數(shù)據(jù)，并繪制出塑性區(qū)面積變化曲線。由圖2可以看出，塑性區(qū)面積隨著時間的變化呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢。從不同方案的對比結果來看，在計算結束時方案1的塑性區(qū)面積最大，且沒有出現(xiàn)收斂的變化特征；方案2和方案3雖然在計算結束時出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，但是與方案4相比塑性區(qū)面積明顯偏大。由此可見，在所有的4個方案中，方案4的計算結果收斂較快，且塑性區(qū)面積明顯偏小，為最佳方案。

圖2 塑性區(qū)面積變化曲線

4 結語

此次研究利用數(shù)值模擬的方式，對某輸水工程輸水隧洞穿越破碎巖洞段施工中的大變形控制方案進行比選研究，結果顯示屬于強支護理念的方案4在位移、應力和塑性區(qū)控制方面具有明顯的優(yōu)勢，為最佳施工方案。在背景工程研究洞段施工監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，施工中的位移、應力監(jiān)測數(shù)據(jù)與本文的計算結果比較接近，說明此次研究采用的方法具有科學性和準確性，可以為相關研究提供有益的支持和借鑒。當然，隨著水利工程建設技術的不遠發(fā)展，大變形隧洞新型支護技術日漸增多，因此在今后的研究中，還應該側重于施工新技術的開發(fā)和應用，構建起安全系數(shù)和施工效率更高的新型支護體系。