丁新潮,劉斌
(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西西安 710065;2.西安理工大學(xué),陜西西安 710048)
長(zhǎng)期以來(lái),工程上對(duì)大型隧洞施工的快捷、安全性提出了越來(lái)越高的要求。隧洞開(kāi)挖的施工方法受到設(shè)計(jì)者和施工者的密切關(guān)注,以前施工者根據(jù)巖體質(zhì)量、洞室斷面的大小、巖體的分層分塊等特點(diǎn)確定最合理的施工方法,目前數(shù)值模擬計(jì)算可準(zhǔn)確獲取隧洞位移及應(yīng)力變化,對(duì)具體施工過(guò)程中的開(kāi)挖方法的選擇有重要的指導(dǎo)意義[1-4]。本文以某水工隧洞圓形進(jìn)水口段為研究對(duì)象,根據(jù)工程的實(shí)際需要,擬對(duì)進(jìn)水口段圍巖與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行考慮圍巖開(kāi)挖過(guò)程的系統(tǒng)分析非線性三維有限分析研究,研究圓形進(jìn)水口段在全斷面開(kāi)挖和上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖步序施工過(guò)程中的圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及塑性區(qū)分析特征。為該圓形進(jìn)水口段推薦最適合的開(kāi)挖方法。
某水電站工程樞紐主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪放空洞和右岸地下電站廠房組成,以發(fā)電為主。水庫(kù)總庫(kù)容16.22億m3,最大壩高211 m,裝機(jī)容量2200 MW,工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型工程。擋水、泄水及引水發(fā)電等主要建筑物工程級(jí)別為1級(jí),下游消能防護(hù)及永久性次要建筑物為3級(jí)。泄洪放空洞進(jìn)水口位于右岸二長(zhǎng)巖巖體內(nèi),屬淺埋式洞式進(jìn)水口。溢洪道引渠形成3247.0 m開(kāi)挖大平臺(tái)后,進(jìn)水口頂拱最小垂直埋深約24.0 m,左側(cè)圍巖最小厚度約40.0 m,右側(cè)距電站進(jìn)水口引渠底板高程3223.2 m約30.0 m。
進(jìn)水口段(右洞0+000.00~右洞0+042.00 m)為中生代二長(zhǎng)巖,巖體為弱下風(fēng)化,隧洞天然埋深為65.0~78.0 m,工程開(kāi)挖后實(shí)際埋深為24.0~43.0 m。圍巖級(jí)別為Ⅲ1類(lèi),基本滿(mǎn)足隧洞成洞要求。但二長(zhǎng)巖中斷層及裂隙較發(fā)育,局部存在不穩(wěn)定的塊體組合。泄洪隧洞進(jìn)口處岸坡主要由3種巖性組成,下部為三疊系變質(zhì)砂巖及中生代二長(zhǎng)巖岸坡,頂部為第三系礫巖岸坡,礫巖不整合于下伏二長(zhǎng)巖之上。進(jìn)口洞臉邊坡上部第三系礫巖位于強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi),總體看該處屬Ⅳ級(jí)巖體巖,邊坡整體穩(wěn)定;下部位于強(qiáng)~弱風(fēng)化二長(zhǎng)巖內(nèi),巖體級(jí)別為Ⅳ~Ⅲ2級(jí),邊坡整體穩(wěn)定。
使用有限元軟件abaqus,建立三維非線性有限元分析模型。三維有限元網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)總體規(guī)定為:鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)0.2~0.3 m;錨桿加固區(qū)域巖體1.0~2.0 m;外圍巖體2.0~6.0 m。
1)沿水流方向,分析范圍取為進(jìn)水口段開(kāi)挖洞徑約4.0倍。進(jìn)水口段最上游邊界向上游取45.0 m,進(jìn)水口段最下游邊界向下游取65.0 m。
2)豎直方向(高程),底部分析區(qū)域邊界,取泄洪放空洞底板最低處以下50 m,約為4.5倍泄洪放空洞進(jìn)水口段開(kāi)挖洞徑,向上取為地表。
3)垂直于水流的水平方向上。對(duì)于左邊界,上部取至原始地面邊界自由面,下部取為4.0倍洞徑,約為60.0 m。對(duì)于右邊界,取為4.0倍洞徑,約為60.0 m,引水渠開(kāi)挖后形成臨空面。
該進(jìn)口整體為圓形過(guò)水?dāng)嗝婧蛨A形開(kāi)挖斷面。過(guò)水?dāng)嗝鏋橹睆?0 m的圓形,按照雙曲線縮小后到樁號(hào),過(guò)水?dāng)嗝鏋橹睆?2 m的圓形斷面。整體分析模型用于模型圍巖體,如圖1及圖2所示。
圖1 圓形進(jìn)水口方案襯砌結(jié)構(gòu)體型圖Fig.1 The lining structure of the circular water inlet
圖2 圍巖區(qū)域有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of the surrounding rock area
根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件以及參照類(lèi)似的工程圍巖力學(xué)參數(shù)選取,如表1和表2所示。
表1 圍巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock
表2 圍巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.2 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock
分析在相同支護(hù)條件下,圓形進(jìn)水口型式全斷面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖步序方案下的圍巖應(yīng)力場(chǎng),為方便說(shuō)明問(wèn)題,在此僅選出圍巖豎向位移、第一主應(yīng)力以及塑性區(qū)等部分代表性結(jié)果進(jìn)行分析,分析兩種不同開(kāi)挖步序下該段隧洞圍巖穩(wěn)定性狀。
同一支護(hù)條件下圓形方案全斷面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖豎直方向整體位移云圖,如圖3所示。
根據(jù)此靜力分析結(jié)果,在相同的支護(hù)條件下,全斷面開(kāi)挖后在豎直方向上最大變形為8.05 mm,出現(xiàn)進(jìn)水口段頂部;若采用上下半洞開(kāi)挖,相應(yīng)的最大變形為8.66 mm,兩種開(kāi)挖步序方案圍巖穩(wěn)定性均可得到保證。上下半洞開(kāi)挖方案的拱頂位移較全面增加比例為7.58%。
圖4給出了同一支護(hù)條件下圓形方案全面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖第一主應(yīng)力云圖。
圖3 全面開(kāi)挖與上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖豎直方向整體位移云圖Fig.3 The vertical displacements of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method
圖4 全面開(kāi)挖與上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖第一主應(yīng)力云圖Fig.4 The max principal stress of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method
在相同的支護(hù)條件下,全斷面開(kāi)挖后第一主應(yīng)力最大值為0.54 MPa(拉),若采用上下半洞開(kāi)挖,第一主應(yīng)力最大值為0.59 MPa(拉),從最大拉應(yīng)力方面,兩種開(kāi)挖步序方案下圍巖均穩(wěn)定。兩方案相互比較,上下半洞開(kāi)挖方案圍巖最大拉應(yīng)力較全面增加比例為9.26%。
相同的錨噴支護(hù)參數(shù)條件下圓形方案全面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后泄洪放空洞圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。
圖5 全面開(kāi)挖與上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plastic strain area of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method
從圖5可見(jiàn),采用全面開(kāi)挖步序方案進(jìn)行施工,洞周?chē)鷰r的塑性區(qū)大深度有4.0~4.5 m,對(duì)于上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后泄洪放空洞圍巖塑性區(qū)最大深度4.5~5.0 m。兩開(kāi)挖步序方案比較,上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)較全斷面略大。兩種方案下,塑性區(qū)最大深度均不大于系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度。
采用abaqus有限元分析對(duì)水工隧洞圓形進(jìn)水口全斷面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖步序方案下圍巖穩(wěn)定性分析表明,兩種開(kāi)挖步序下,圍巖均處于穩(wěn)定狀態(tài),兩方案對(duì)比,總體上全斷面方案的洞頂位移、圍巖最大拉應(yīng)力以及塑性區(qū)深度均較上下半洞開(kāi)挖稍小,在此靜力分析方法下,全斷面開(kāi)挖略?xún)?yōu)于上下半洞開(kāi)挖。
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