殷婭楠

(河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引言

我國是一個(gè)地勢復(fù)雜的國家,河流眾多,水資源利用也成為我國的重點(diǎn)工程,其中在每條河流都可以作為我國水電站地點(diǎn)位置,而引水隧洞作為水電站的重要組成部分,引水隧洞的穩(wěn)定性決定了水電站的安全情況,近年來,許多專家學(xué)者針對以上因素開展相關(guān)研究。

高超[1]結(jié)合水電站施工特點(diǎn),研究引水隧洞施工技術(shù),用于接近施工過程中洞型尺寸等問題。李海寧等人[2]研究不同巖體形狀下引水隧洞周邊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并結(jié)合實(shí)際工況建立有限元數(shù)值模型,結(jié)果表明,當(dāng)圍巖傾角為0°時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大。唐伍一[3]研究圍巖加固處理,結(jié)合行業(yè)規(guī)范,根據(jù)實(shí)際工況,揭露巖溶在注漿加固處理最優(yōu)處理方案,為實(shí)際工況提供參考。陳克霖等人[4]結(jié)合工程實(shí)況,基于數(shù)值模擬和極差法,分析隧洞安全性與經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果表明,開挖成本與位移情況和應(yīng)力大小均呈負(fù)相關(guān);鋼拱架成本則與位移情況和應(yīng)力大小呈正相關(guān)。祁軍等人[5]結(jié)合模糊層次分析研究巖爆分布規(guī)律,結(jié)果表明,及時(shí)預(yù)測隧洞發(fā)生巖爆概率,提前做好預(yù)防措施,保證安全施工。劉萬林等人[6]基于數(shù)值模擬對引水隧洞進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并對洞內(nèi)穩(wěn)定情況進(jìn)行預(yù)測,對在開挖過程中遇到的不穩(wěn)定因素進(jìn)行分析,從而做到提前預(yù)防,對實(shí)際施工具有參考價(jià)值。

本研究以實(shí)際工況為研究背景,基于數(shù)值模擬,對引水隧洞開挖圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析,確定洞距合理性以及在開挖階段隧洞圍巖變形和塑性區(qū)變化規(guī)律。

1 工程概況

本水電站位于高海拔地區(qū),站臺引水線路夾在河岸之間,引水發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)地形設(shè)置方案,該方案全長17.27 km,從尾部開挖。水引水路線左岸谷肩臺面高程在2 700 m左右,其中高程高出2 700 m的谷肩主要為緩坡地帶,高程低于2 700 m但高于2 300 m的谷肩為寬谷期谷底,高程低于2 300 m則為峽谷。工程引水隧洞地面高程位于2 200 m之上,其坡度在40°～60°,坡高在1 500 m左右,根據(jù)地形地貌以及施工條件,引水隧洞洞室位于垂直方向埋深維持在700 m左右,跨度一般不超過200 m,但最深處超過1 200 m。引水隧洞圍巖主要由變粒巖、角閃巖、石英云母片巖等巖體組成,其中以石英云母片巖為主要構(gòu)成巖體,使其結(jié)構(gòu)有明顯的層狀特性。

2 計(jì)算方法

根據(jù)實(shí)際工況,基于數(shù)值模擬在開挖工況下,對引水隧洞進(jìn)行研究分析,分析不同開挖面位移、應(yīng)力以及塑性狀態(tài),該引水隧洞埋設(shè)選定600 m、800 m、1 000 m以及1 200 m實(shí)測情況。由于圓型開挖方式使模型整體位移最小,且圓型的塑性區(qū)面積最小,因此隧洞選用圓型斷面,其洞徑為16 m,以此研究該狀態(tài)下圍巖變形情況和開挖過程的變化規(guī)律。模型采用長度控制網(wǎng)格密度,為一個(gè)正方體,邊長為240 m,接近14 000個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),超過80 000個(gè)單元。模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 開挖過程數(shù)值模擬分析

3.1 洞距合理性分析及應(yīng)力變化分析

通過計(jì)算方法在圓型隧洞中心間距50 m左右分析由于間距不同,結(jié)構(gòu)前期變化和最終變形量以及塑性區(qū)、洞間塑性區(qū)是否連接和隧洞應(yīng)力變化三個(gè)方面判定不利條件下隧洞不出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的安全中心線間距,選取隧洞中心線30 m、40 m、45 m、50 m、60 m和70 m建立模型,并以此記錄引水隧洞關(guān)鍵點(diǎn)的前期變形和最終變形。模型變形測點(diǎn)布置情況如圖1所示。

圖1 模型變形測點(diǎn)布置圖

合理性分析從隧洞應(yīng)力分布變化情況﹑塑性區(qū)特征、變形突變情況進(jìn)行分析,其中不同開挖間距下主應(yīng)力變化情況如圖2所示。

圖2 不同間距下應(yīng)力變化圖 圖3 不同間距下塑性區(qū)面積變化圖

由圖2可知,當(dāng)隧洞之間的距離越來越大,相互干擾的應(yīng)力作用則會(huì)越來越小,其中通過計(jì)算云圖可知,當(dāng)隧洞間距在45 m時(shí)第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的差距最大,什么隧洞之間的干擾作用最小,由此可以確定兩隧洞之間間距為45 m時(shí),為隧洞的安全距離。

3.2 不同間距下塑性區(qū)特征及變形突變分析

對于隧洞不同間距下塑性區(qū)特征,由于隧洞中心線之間距離減小會(huì)導(dǎo)致隧洞周邊應(yīng)力降低,從而導(dǎo)致塑性區(qū)面積增大,當(dāng)其達(dá)到一定程度時(shí),塑性區(qū)呈貫通狀態(tài),并出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。通過判斷塑性區(qū)面積發(fā)展趨勢和貫通情況,從而得到隧洞最小間距。其中不同間距塑性區(qū)面積變化情況如圖3所示。

由圖3可知,貫通區(qū)域主要是在中心線30～40 m區(qū)間,說明開挖間距在30～40 m 時(shí),巖體結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞。不貫通區(qū)域主要是在中心線45～70 m區(qū)間,且圍巖塑性區(qū)隨著開挖間距增大而逐漸減小,表明間距較大,隧洞之間得巖體厚度達(dá)到一定厚度使相互影響效果減弱。結(jié)合應(yīng)力變化情況和塑性區(qū)面積及貫通情況可以確定隧洞最小間距為45 m。

對于隧洞的變形突變情況,由于兩隧洞之間的巖體結(jié)構(gòu)逐漸變薄,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易發(fā)生失穩(wěn)情況,當(dāng)該狀況達(dá)到一定程度時(shí),會(huì)使洞間巖體直接失穩(wěn),洞體變形將會(huì)急劇加速直至變形突變,因此通過研究位移和洞距之間關(guān)系得到最小洞距,具體情況如圖4和圖5所示。

圖4 X向位移變化情況圖 圖5 Y向位移變化情況圖

由圖4和圖5可知,無論是X向位移還是Y向位移,其隧洞位移變化都隨著隧洞間距變大而逐漸減小,其中當(dāng)隧洞間距從30～45 m時(shí),位移呈現(xiàn)急劇下降得區(qū)域,當(dāng)隧洞間距在45 m之后時(shí),雖然位移也會(huì)隨著隧洞間距變大而逐漸減小,但減小趨勢極其緩慢。根據(jù)位移曲線變化情況可知,位移拐點(diǎn)在45 m左右,當(dāng)隧洞間距小于該間距時(shí),隧洞結(jié)構(gòu)整體發(fā)生改變。結(jié)合應(yīng)力變化情況、塑性區(qū)面積及貫通情況以及隧洞圍巖變形情況可以確定隧洞最小間距為45 m,且洞間距越大越好,可基本保證隧洞不出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

3.3 隧洞圍巖變化與開挖情況規(guī)律分析

在隧洞施工中,開挖過程出現(xiàn)圍巖宏觀失穩(wěn)是重點(diǎn)關(guān)注問題,本文對1 200 m埋深下圍巖變化與開挖情況規(guī)律進(jìn)行分析,開挖步距為8 m。結(jié)合圖1的模型變形測點(diǎn)布置圖,其關(guān)鍵點(diǎn)為A點(diǎn)、B點(diǎn)以及C點(diǎn),關(guān)鍵點(diǎn)位移以及位移釋放率與掌子面推進(jìn)過程規(guī)律如圖6和圖7所示,其中位移釋放率為開挖過程中位移與最終收斂位移之間的比值。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)位移變化與掌子面推進(jìn)過程規(guī)律圖 圖7 關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率與掌子面推進(jìn)過程規(guī)律圖

圖中,開挖步數(shù)為掌子面與監(jiān)測斷面之間距離,其中1～8步和9～16步分別為上半部分和下半部分。由圖6和圖7可知,當(dāng)模型開始推進(jìn)開挖時(shí),監(jiān)測斷面頂部A點(diǎn)變形位移維持在78 mm左右,兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)變形量則在35～42 mm,監(jiān)測斷面最下面關(guān)鍵點(diǎn)C點(diǎn)變形位移則在27～34 mm。其中監(jiān)測斷面頂部位移釋放率超過了60%,兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率則超過40%,監(jiān)測斷面最下面關(guān)鍵點(diǎn)C點(diǎn)位移釋放率則超過30%。因此當(dāng)隧洞向內(nèi)開挖8 m時(shí),圍巖開挖階段是引起圍巖位移變形的主要階段。當(dāng)開挖步數(shù)達(dá)到第4步時(shí),圍巖頂部位移趨于穩(wěn)定,但兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率依舊較低,說明半洞開挖方式對洞兩側(cè)影響較小。當(dāng)開挖到第9步時(shí),位移變化發(fā)生突變,其中兩側(cè)位移釋放率變化情況遠(yuǎn)強(qiáng)于頂部。開挖使兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率劇增,增加范圍在45%左右。

3.4 隧洞圍巖塑性區(qū)與開挖情況規(guī)律分析

對圍巖塑性區(qū)與開挖情況變化規(guī)律分析,1 200 m埋深下斷面塑性區(qū)面積與掌子面推進(jìn)過程規(guī)律如圖8、9所示,其中釋放率為監(jiān)測斷面塑性區(qū)面積與開挖完成時(shí)塑性區(qū)面積比值。

圖8 監(jiān)測斷面塑性區(qū)面積變化情況圖 圖9 監(jiān)測斷面釋放率與掌子面推進(jìn)過程規(guī)律圖

由圖8和圖9可知,開挖階段隧洞塑性區(qū)面積維持在220～240 m2之間,當(dāng)開挖工序逐漸推進(jìn),開挖步數(shù)達(dá)到第2步時(shí),隧洞塑性區(qū)面積增長了50 m2,之后隧洞塑性區(qū)面積緩慢增大,當(dāng)開挖步數(shù)達(dá)到第8步時(shí),隧洞塑性區(qū)面積發(fā)生急劇增大,塑性區(qū)面積從280 m2直至320 m2,當(dāng)開挖步數(shù)達(dá)到10步時(shí),塑性區(qū)面積趨于穩(wěn)定。而隧洞塑性區(qū)面積釋放率與面積變化情況相同,開挖階段隧洞塑性區(qū)釋放率維持在65%左右,開挖步數(shù)達(dá)到第2步時(shí),隧洞塑性區(qū)釋放率增長了10%,之后隧洞塑性區(qū)釋放率緩慢增大,當(dāng)開挖步數(shù)達(dá)到第8步時(shí),隧洞塑性區(qū)釋放率發(fā)生急劇增大,釋放率從80%增長至接近1 000%,當(dāng)開挖步數(shù)達(dá)到10步后,塑性區(qū)釋放率趨于穩(wěn)定。通過分析可知,圍巖開挖階段對隧洞影響較大,該階段塑性區(qū)變化較為明顯,但之后影響減弱,并隨著開挖步數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)語

本研究以工程實(shí)況為研究背景,基于數(shù)值模擬對引水隧洞開挖圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析,分析不同開挖面位移、應(yīng)力以及塑性狀態(tài),并以此確定洞距之間的合理情況,包括應(yīng)力、塑性區(qū)特征以及變形情況,并在次基礎(chǔ)上,研究隧洞圍巖變形和塑性區(qū)與開挖階段的規(guī)律,得出以下結(jié)論:

(1)結(jié)合應(yīng)力變化情況、塑性區(qū)面積及貫通情況以及隧洞圍巖變形情況可以確定隧洞最小間距為45 m,且洞間距越大越好,可基本保證隧洞不出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

(2)開始推進(jìn)開挖時(shí),監(jiān)測斷面頂部變形位移高于兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)變形量,其中監(jiān)測斷面頂部位移釋放率超過了60%,兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率則超過40%,監(jiān)測斷面最下面關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率則超過30%。

(3)圍巖開挖階段是引起圍巖位移變形的主要階段。且半洞開挖方式對洞兩側(cè)影響較小。位移變化會(huì)隨著開挖程度發(fā)生突變,兩側(cè)位移釋放率變化情況遠(yuǎn)強(qiáng)于頂部。且開挖使兩側(cè)位移釋放率劇增,范圍在45%左右。

(4)圍巖開挖階段對隧洞塑性區(qū)影響較大,開挖階段塑性區(qū)變化較為明顯,但之后影響減弱,并隨著開挖步數(shù)呈負(fù)相關(guān)。