基于流固耦合的輸水隧洞水平旋噴拱棚撓度影響因素研究

王顯

（滄州水利勘測規(guī)劃設計院有限公司，河北 滄州 061000）

1 研究背景

水利工程建設對優(yōu)化水資源配置，充分發(fā)揮有限水資源的價值具有十分重要的作用和意義。基于此，我國各級政府不斷加大在水利工程建設領域的投入力度，建設了一大批復雜地質環(huán)境條件下的輸水工程。在長距離輸水工程中，輸水隧洞往往是不可或缺的重要組成部分。在長距離輸水隧洞建設中，經常需要穿越河谷地帶，從而面臨淺埋富水砂軟弱地層，給工程建設的順利進行帶來諸多困擾。因此，在穿越上述地層的輸水隧洞施工過程中，需要采用一定的輔助措施對圍巖進行預支護。水平旋噴技術是地下洞室工程中常用的預支護手段，通常沿地下洞室的洞口周邊以外插的方式分布和咬合，從而形成拱棚預支結構，該方式十分適合富水砂性地層地下洞室工程的預支護，可以有效緩解涌水、涌沙地質災害[1]。

雖然超前水平旋噴預支護技術在富水砂性地層的地下工程建設中得到廣泛應用，顯示出相對于超前小導管注漿等傳統(tǒng)預支護方式的優(yōu)越性[2]，但是，其成樁工程效果受到施工工藝、地質環(huán)境等諸多因素的影響，進而影響其支護效果。目前，業(yè)界關于水平旋噴拱棚的受力特征與變形規(guī)律研究尚不完善，導致工程實踐應用缺乏必要的理論依據，從而限制了該加固方式的推廣和應用[3]。基于此，此次研究以某輸水隧洞穿越河谷段工程為依托，利用數值模擬的方式探討輸水隧洞水平旋噴拱棚撓度的變化規(guī)律，以便為相關研究和工程實踐提供必要的支持和借鑒。該段輸水隧洞為馬蹄形斷面設計，其寬度和高度分別為4.5 m 和4.8 m，水平旋噴拱棚樁的樁徑為0.5 m，相鄰樁中心距為3.5 m，共需要設置25 根水平旋噴樁。

2 模型計算

2.1 有限元模型的構建

此次研究利用FLAC3D 有限元軟件進行數值計算模型的構建[4]，利用上、下臺階法模擬隧洞的開挖過程[5]。為了有效消除模型邊界效應可能對計算結果產生的影響，模型的橫向尺寸為隧洞寬度的10 倍，下部深度為拱底向下5 倍的隧洞高度，模型上部模擬至地表，最終確定模型尺寸為45.0 m×40.0 m×50.0 m。

為保證計算精度，模型的網格劃分系數取0.5，對隧洞開挖巖土體、水平旋噴拱棚及襯砌結構等關鍵部位進行加密處理[6]?？紤]到對水平旋噴拱棚和周圍巖土體采用共節(jié)點的計算方式會導致拱棚和土層之間的協(xié)同變形，從而產生較大的計算誤差，因此，計算中應考慮旋噴樁和巖土體的接觸效應，利用界面單元解決上述問題。界面單元可以有效提升有限元網格的柔性，防止非物理應力結果的出現(xiàn)，保證計算結果的精確性[7]。此次研究模型劃分為21 246 個單元，22 357 個節(jié)點。

2.2 邊界條件和計算參數

考慮到河谷內地表水和地下水均十分豐富，因此，在模型計算過程中將各種介質均設置為飽和狀態(tài)，且保持水位高度不變[8]。模型采用軟件中提供的完全流固耦合方法進行管棚軸力和撓度的計算。隧洞圍巖巖土體采用實體單元模擬，其中，圍巖采用小應變硬化本構模型，水平旋噴拱棚和初襯采用彈性本構模型，并將其設置為不透水材料。隧道的開挖斷面設置為透水邊界，水壓力初始值設定為0。

模型材料參數是影響計算結果的重要因素，研究中以背景工程的地質勘查資料和相關施工規(guī)范為依據確定模型材料物理力學參數，如表1所示。

表1 模型材料物理力學參數

2.3 計算方案

結合背景工程實際和相關研究成果，本文選擇地層滲透系數、地下水位和隧洞埋深等因素進行計算分析。地層滲透系數分別設置為50.000，5.000，0.500，0.050，0.005 m/d；地下水位設置為0（拱頂部位），1.0，2.0，3.0，4.0 m；隧道埋深設置為7.0，9.0，11.0，13.0，15.0 m。研究中固定兩個參數值不變，以撓度為表征量，對第3 個參數不同取值條件下水平旋噴拱棚的力學特征進行模擬計算。

3 計算結果與分析

3.1 地層滲透系數

研究中保持地下水水位2.0 m、隧道埋深11.0 m不變，利用構建的有限元模型對不同地層滲透系數條件下水平旋噴拱棚的撓度進行模擬計算，從計算結果中提取出上臺階開挖進尺為10.0 m 時拱棚拱頂部位的樁體撓度，并繪制出變化曲線，見圖1。由圖1 可知，隨著地層滲透系數的減小，拱頂部位的撓度最大值呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點，且撓度的最大值出現(xiàn)在施工開挖掌子面的后方附近；撓度并非隨著地層滲透系數的減小呈現(xiàn)線性變化，當滲透系數減小到一定值時，撓度增長較為有限，究其原因，主要是水平旋噴樁拱棚可以發(fā)揮顯著的預支護作用，使拱棚上部的地下水難以形成豎向滲流，只能通過水平方向進行滲流，而地層滲透系數的減小會抑制滲流作用的發(fā)生，導致水平旋噴拱棚的撓度增大。

圖1 不同地層滲透系數撓度變化曲線

3.2 地下水位

研究中保持地層滲透系數0.500 m/d、隧道埋深11.0 m 不變，利用構建的有限元模型對不同地下水位條件下水平旋噴拱棚的撓度進行模擬計算，從計算結果中提取出上臺階開挖進尺為10.0 m 時拱棚拱頂部位的樁體撓度，并繪制出變化曲線，見圖2。由圖2 可以看出，在不同地下水位工況下，水平旋噴拱棚拱頂部位樁體的撓度變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢，撓度的最大值出現(xiàn)在施工開挖掌子面后方附近；隨著地下水水位的升高，水平旋噴拱棚拱頂部位樁體的撓度呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，且地下水位越高，其對撓度的影響越大，由此可見，地下水水位對拱頂部位水平旋噴樁的撓度影響較大。為保證隧洞施工安全進行，對于地下水水位較高的洞段，建議采取增加旋噴樁樁徑、樁間咬合厚度及注漿漿液強度的工程措施，同時，還應該加強施工掌子面的防滲處理。

圖2 不同地下水位撓度變化曲線

3.3 隧洞埋深

研究中保持地層滲透系數0.500 m/d、地下水位2.0 m 不變，利用構建的有限元模型對不同隧洞埋深條件下水平旋噴拱棚的撓度進行模擬計算，從計算結果中提取出上臺階開挖進尺為10.0 m 時拱棚拱頂部位的樁體撓度，并繪制出變化曲線，見圖3。由圖3 可以看出，在不同隧洞埋深條件下，水平旋噴拱棚拱頂部位樁體的撓度變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢；撓度的最大值出現(xiàn)在施工開挖掌子面后方附近；隨著隧洞埋深的增加，水平旋噴拱棚拱頂部位樁體的撓度呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，且增大的趨勢表現(xiàn)出比較顯著的線性特征，究其原因，主要是地下水位不變的情況下，隧洞埋深的增大會導致拱棚上部巖土體壓力和地下水作用的穩(wěn)步增加，旋噴樁撓度也呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點。因此，對于埋深較大的洞段也需要采取上文提出的工程措施，保證施工安全。

圖3 不同隧洞埋深撓度變化曲線

4 結語

此次研究以具體工程為依托，利用數值模擬的方式探討和分析了輸水隧洞水平旋噴拱棚撓度影響因素及相關規(guī)律，并提出了具體的工程建議，研究結論本身對相關理論研究和工程設計具有重要的支持和借鑒作用。當然，此次研究在水平旋噴拱棚成樁效果良好的前提下展開，沒有探究樁體缺陷的影響，也沒有考慮水平旋噴拱棚出現(xiàn)漏水情況對自身受力特征的影響。顯然，上述情況在工程施工中往往是不可避免的。因此，在今后的研究中需要針對上述情況進行進一步的分析研究，以獲得更為全面和準確的研究成果。