聶盛明

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 南昌 330096)

1 工程背景

某新建水電站的引水系統(tǒng)主要由進水口，引水隧洞的上平段、斜洞段以及下平段、高壓岔管以及壓力鋼管構(gòu)成。隧洞沿線的山體比較雄厚，埋深在30～300m之間，基巖的巖石整體比較完整和穩(wěn)定。但是，下平段樁號引Ⅱ0+487～引Ⅱ0+525m洞段為穿越D5斷層洞段巖體受到構(gòu)造擠壓的作用，破碎比較嚴(yán)重，主要有糜棱狀碎塊夾碎屑和斷層泥構(gòu)成。同時，該洞段的成洞半徑3.5m，開挖半徑為4.2m。由于開挖斷面大且?guī)r體質(zhì)量較差，給施工開挖造成較大的難度。在開挖施工工法方面，結(jié)合該洞段的實際情況和相關(guān)施工經(jīng)驗[1]，提出了三臺階法、預(yù)留核心土環(huán)形開挖法、超前導(dǎo)洞擴挖法和新意法4種不同方法，研究中利用數(shù)值模擬的方法對上述4種方法進行比選，以獲取最佳施工方法。

2 計算模型的構(gòu)建

2.1 計算模型

研究中以引水隧洞下平段穿越D5斷層洞段為對象建立數(shù)值計算模型。根據(jù)相關(guān)研究成果，地下洞室工程在開挖完畢后，在距離開挖斷面中心點5～7倍開挖直徑的范圍內(nèi)存在圍巖應(yīng)力應(yīng)變的影響[2]。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究中的計算模型邊界取10倍洞徑，模型的長度選擇為50m。最終確定模型的尺寸為80m×50m×80m[3]。計算模型以隧洞中線指向下游的方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向右側(cè)的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

該段隧洞的埋深約150m，因此在模型的頂面施加2.75MPa的均布荷載，以模擬上覆巖體的重力[4]。根據(jù)初始地應(yīng)力的測試結(jié)果，在模型的前后和左右面分別施加23.15MPa和15.06MPa的均布荷載。對模型的底部施加全位移約束，模型的左右兩側(cè)施加X方向位移約束，模型的前后施加Y方向位移約束，模型的上部為自由邊界條件[5]。對模型進行六面體八節(jié)點實體單元劃分，最終獲得15668個計算單元，13449個計算節(jié)點，模型的示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 參數(shù)選取

為了簡化模型，提高模型的計算效率，對研究洞段的圍巖采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)混凝土按線彈性本構(gòu)模型處理[6]；初支結(jié)構(gòu)和二次襯砌的厚度分別為27、45cm，均采用板單元模擬；鋼拱架采用的是間距1.0m的I20b型鋼，采用梁單元模擬；系統(tǒng)錨桿的參數(shù)為直徑22mm，長4.0m，采用植入式桁架單元定義；超前小導(dǎo)管的加固循環(huán)為6.0m，超前核心土加固注漿循環(huán)為18m。根據(jù)相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗[7]，在預(yù)加固完成之后，圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及彈性模量可以分別提升90%、50%、95%左右。結(jié)合上述分析及工程資料，確定模型物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

3 不同施工方法的計算結(jié)果與分析

3.1 位移變形

研究中利用上節(jié)構(gòu)建的模型對4種不同施工方法條件下的研究洞段拱頂沉降變形和水平收斂變形進行模擬計算，結(jié)果見表2。由表2中的結(jié)果可知，面對穿越斷層段的高地應(yīng)力軟巖隧洞，如果采用三臺階法、預(yù)留核心土法等傳統(tǒng)的新奧法施工，拱頂沉降變形和邊墻水平位移變形均較大，分別大于40、50mm。雖然預(yù)留核心土法對圍巖變形的控制要好于三臺階法，但是需要對施工掌子面以及圍巖進行多次干擾，因此對圍巖的應(yīng)力維持和塑性區(qū)的控制極為不利[8]；與上述2種傳統(tǒng)新奧法相比，超前導(dǎo)洞擴挖施工在拱頂沉降控制方面具有明顯優(yōu)勢，拱頂沉降量相比三臺階法和預(yù)留核心土法分別減小了53.14%和45.62%，但是邊墻水平位移變化并不明顯。究其原因，主要是正洞的擴挖會使圍巖受到進一步擾動，不利于水平變形控制。新意法施工可以通過圍巖預(yù)加固控制圍巖變形并提高開挖進度。因此，相對于三臺階法、預(yù)留核心土法和超前導(dǎo)洞擴挖其他方法，拱頂沉降變形分別減小65.97%、60.53%和27.42%；水平收斂變形分別減小77.16%、71.26%、73.63%?？傊?，從位移變形控制角度來看，新意法為最佳施工方法[8- 11]。

表2 不同施工方法位移變形計算成果 單位：mm

3.2 掌子面擠出變形

在高地應(yīng)力軟巖隧洞開挖施工中，受到施工擾動和應(yīng)力重新分布等因素的影響，施工掌子面往往會出現(xiàn)較大的擠出位移變形，并對施工安全造成不利影響。研究中利用構(gòu)建的數(shù)值計算模型，對4種施工方法下的開挖掌子面擠出變形進行模擬計算，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示，三臺階法的掌子面擠出位移最大，為81.83mm，預(yù)留核心土法為44.56mm，超前導(dǎo)洞擴挖法為37.51mm，新意法最小，為8.24mm。新意法對于相對于前3種方法分別減小了89.93%、81.51%、78.03%。由此可見，新意法在控制掌子面擠出變形方面具有顯著的優(yōu)勢。

圖2 不同工法掌子面擠出變形計算結(jié)果(單位：mm)

3.3 圍巖應(yīng)力分析

利用構(gòu)建的模型，對4種不同開挖施工方法下的隧洞圍巖應(yīng)力進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，整理獲取拱頂、邊墻和拱腳部位的水平和豎向應(yīng)力，見表3。由表3中的計算結(jié)果可知，采用三臺階法情況下，水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力的值最大，且在隧洞的拱腳部位存在高應(yīng)力區(qū)；預(yù)留核心土法與三臺階開挖法比較相似，各部位的應(yīng)力值比較接近，僅邊墻部位的豎向應(yīng)力值有較為明顯的減小。究其原因，主要是施工過程中將施工掌子面劃分為多個不同的施工斷面，因此對水平應(yīng)力的控制效果并不明顯。超前導(dǎo)洞開挖法的開挖過程中，圍巖應(yīng)力經(jīng)過超前導(dǎo)洞施工得到一定的釋放，因此應(yīng)力水平較三臺階法與預(yù)留核心土法有顯著降低，總體下降了約40%左右。新意法由于經(jīng)過超前支護的加固，圍巖的應(yīng)力最小。因此，從圍巖應(yīng)力水平的角度來看，新意法為最佳施工開挖方法[12- 15]。

表3 圍巖應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MPa

3.4 初支應(yīng)力分析

利用模型計算的方法對4種不同開挖施工方法下的初支應(yīng)力進行計算，結(jié)果見表4。由表4中的結(jié)果可知，三臺階法與預(yù)留核心土法的初支應(yīng)力計算結(jié)果比較接近，且應(yīng)力值明顯偏大。超前導(dǎo)洞擴挖法由于在正洞擴挖過程中可以釋放一部分圍巖應(yīng)力，因此應(yīng)力值相比前2種施工方法有顯著降低。采用新意法施工過程中，基于超前小導(dǎo)管以及玻璃纖維錨桿加固等結(jié)構(gòu)的超前支護作用影響，圍巖與核心土的承載力得到明顯提升，同時全斷面的開挖方式還有助于圍巖原生結(jié)構(gòu)的維持，進而限制圍巖內(nèi)部塑性區(qū)的進一步發(fā)展，因此初支應(yīng)力水平最低。因此，從初支應(yīng)力視角來看，新意法為最佳施工方法。此外，4種施工方法下的初支應(yīng)力模擬結(jié)果均較大，原因是模擬過程中將噴射混凝土與鋼拱架視為一個彈性體，而鋼拱架彈模與混凝土承壓塑性屈服的結(jié)合導(dǎo)致模擬結(jié)果偏大。

表4 初支應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MPa

4 結(jié)語

本次研究以某輸水隧洞D5洞段為例，利用數(shù)值模擬的方法對穿越糜棱巖破碎洞段的開挖施工方法進行優(yōu)選研究。結(jié)果顯示，采用新意法的圍巖變形控制效果最好，圍巖應(yīng)力和初支應(yīng)力最小，有助于縮短工期，降低施工成本，具有一定的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，建議在輸水隧洞施工中采用。同時，本文的方法和結(jié)論對類似工程的施工設(shè)計也具有一定的借鑒價值。當(dāng)然，本次研究也存在一定的不足。例如，本文選擇摩爾-庫侖本構(gòu)模型進行數(shù)值模擬，沒有考慮軟巖的時空效應(yīng)與流變特征，對結(jié)果的準(zhǔn)確性存在一定的影響，需要在今后研究中進行完善。