呂昀龍

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某輸水隧洞主洞與旁通洞交叉段為38 m，交叉段后接長(zhǎng)35 m檢修洞，隧洞主洞尺寸7.64 m×7.77 m(寬度×高度)，交叉段隧洞尺寸7.7 m×9.356 m(寬度×高度)，檢修洞尺寸10.3 m×13.95 m(寬度×高度)，旁通洞尺寸7.3 m×7.05 m(寬度×高度)。隧洞均為城門洞型，主旁通洞以45°角度、半徑30 m平順相交。檢修洞與旁通洞間距為13.25 m。主洞噴混厚度為120 mm，φ22隨機(jī)砂漿錨桿長(zhǎng)度L=3 m。交叉段噴混厚度為150 mm，φ22砂漿錨桿長(zhǎng)度L=4.5 m，間、排距1.5 m。檢修洞段噴混厚度為150 mm，φ22砂漿錨桿L=4.5 m，間、排距1.2 m。旁通洞噴混厚度為120 mm，φ22隨機(jī)砂漿錨桿長(zhǎng)度L=3 m?，F(xiàn)場(chǎng)開挖及支護(hù)順序?yàn)椋褐鞫炊?交叉段-檢修洞段-旁通洞段。隧洞處于泥盆系凝灰質(zhì)砂巖及華力西黑云母花崗巖中，圍巖整體穩(wěn)定性好，地質(zhì)提供資料判定此處為Ⅱ類圍巖。

2 計(jì)算模型

考慮隧洞分步開挖及支護(hù)等過(guò)程，采用Midas GTS NX建立三維模型。為了模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更接近，根據(jù)有限元模型建模范圍由相關(guān)文獻(xiàn)可知，約5倍隧洞洞徑以外的圍巖對(duì)于引水隧洞的影響基本可忽略不計(jì)[1-2]，因此本文計(jì)算圍巖區(qū)域選擇100 m×85 m范圍內(nèi)建模計(jì)算。外圍巖體均為Ⅱ類圍巖，巖體采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，噴混采用彈性結(jié)構(gòu)模型，實(shí)體網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格型式。計(jì)算工況為主洞及旁通洞分步開挖、支護(hù)工程圍巖及支護(hù)應(yīng)力及位移變化。初始狀態(tài)是指隧洞所在的地質(zhì)區(qū)域未受到人工擾動(dòng)之前就已客觀存在的狀態(tài)，包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，其中以自重應(yīng)力場(chǎng)為主。隧洞開挖后，一次支護(hù)及時(shí)施作。見圖1。

圖1 主洞、檢修洞及旁通洞空間位置示意圖

3 計(jì)算參數(shù)

見表1、表2。

表1 噴混材料參數(shù)

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖順序(主洞段-交叉段-檢修洞段-旁通洞段)模擬，施加重力作用后，對(duì)模型施加邊界條件，利用軟件對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)位移清零。再利用GTS NX中激活與鈍化網(wǎng)格模擬現(xiàn)場(chǎng)開挖及施工一次支護(hù)過(guò)程。模擬的基本思路是：開挖部分的巖體鈍化，同時(shí)激活相應(yīng)支護(hù)單元。根據(jù)分步開挖圍巖及一次支護(hù)共同作用時(shí)應(yīng)力釋放，最終得到各施工工況應(yīng)力及位移變化。見圖2-圖5。

圖2-圖5為隧洞分步開挖隧洞圍巖位移分布云圖。從圖2-圖5可知，隧洞交叉口處及檢修洞大斷面頂部圍巖豎向沉降較大，此處極易出現(xiàn)應(yīng)力集中，建議此處鋼拱架應(yīng)適當(dāng)加密且施工期間應(yīng)加強(qiáng)該處監(jiān)測(cè)頻次。

交叉口處隧洞底板均有不同程度隆起，特別是施工交叉口處，隧洞底隆起較明顯。隧洞斷面變化處圍巖位移分步出現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，建議施工大斷面掌子面時(shí)應(yīng)將頂拱及側(cè)墻處錨桿加密且加長(zhǎng)，加強(qiáng)該處監(jiān)測(cè)頻次。

圖2 主洞段開挖工況位移圖

圖3 交叉段開挖工況位移圖

圖4 檢修洞段開挖工況位移圖

圖5 旁通洞段開挖工況位移圖

圖6-圖9為隧洞分步開挖隧洞一次支護(hù)應(yīng)力云圖。

圖6 主洞段開挖工況應(yīng)力云圖

圖7 交叉段開挖工況應(yīng)力云圖

圖8 檢修洞段開挖工況應(yīng)力云圖

圖9 旁通洞段開挖工況應(yīng)力云圖

從圖6-圖9可知，隧洞交叉口處及檢修洞大斷面頂部一次支護(hù)應(yīng)力較大，且此處大位移分布區(qū)域較大、分布線發(fā)生較大變化，這可能導(dǎo)致此區(qū)域巖石表層圈發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，出現(xiàn)局部塌方現(xiàn)象。施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該處一次支護(hù)強(qiáng)度，建議此處加密鋼拱架設(shè)置，遠(yuǎn)離交叉口主洞及旁通洞應(yīng)力分布基本相同，底板處應(yīng)力相對(duì)較大[3]。

5 結(jié) 論

1) 本工程開挖及支護(hù)方案可行，穩(wěn)定后一次支護(hù)應(yīng)力在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。洞頂豎向最大變形量不超過(guò)9.65 mm。

2) 本工程擬定開挖先后順序合理，檢修洞和旁通洞洞凈間距為13.25 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 大斷面及隧洞交叉口處開挖支護(hù)是一個(gè)施工環(huán)節(jié)多、程序嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?fù)雜過(guò)程，在施工中應(yīng)科學(xué)選擇合理的施工順序，制定完善的支護(hù)方案。