输水隧洞超前小导管注浆支护数值模拟研究

张大年

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

输水隧洞超前小导管注浆支护数值模拟研究

张大年

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

以蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞为研究对象，利用大型通用有限元软件ABAQUS，系统分析了小导管注浆超前支护的加固机理，确定该技术在实际工程实践中能够达到理想的支护效果，在保证输水隧洞施工安全与衬砌连续性方面具有重要作用。

蒲石河电站；输水隧洞；灌浆支护

1 工程概况

辽宁蒲石河抽水蓄能电站位于宽甸满族自治县长甸镇境内的蒲石河下游干流上。水电站距离辽宁省丹东市约60 km，距离长甸火车站约10 km[1]。蒲石河抽水蓄能电站设置4台30万kW机组，装机总容量120万kW，总投资约45亿元，是目前我国东北地区正在建设的大型水利工程项目。

该水利工程主要包括上下游水库、上水库钢筋混凝土堆石坝、下水库泄洪排沙闸坝、地下厂房，以及上下游水库进出水口[2]。其中上游水库位于长甸镇东洋河村境内，下游库区位于长甸镇小孤山子村境内。上水库拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶全长714.0 m ，坝顶宽10.0 m ，坝顶高程395.5 m，最大坝高78.5 m，坝上、下游坡比均为1∶1.4，大坝最大底宽237.3 m。蒲石河抽水蓄能电站的主要任务是担负东北电网的调峰、填谷任务，缓解东北电网的峰谷矛盾，对保证东北电网的稳定运行具有重要作用。

蒲石河抽水蓄能电站的地下系统由地下厂房、引水和尾水三大主要系统构成，其中引水系统采用二洞四机的布置，引水主洞全长约770 m， 内径为8 m；尾水隧洞的主洞长约1169 m，内径11.5 m。由于输水隧洞埋藏较浅，开挖部位呈破碎地质发育，在部分施工段需要穿越比较深厚的土层，开挖施工难度较大，经项目部和相关专家会商，决定采用小导管超前支护[3]。

2 ABAQUS三维模型的计算与分析

2.1 ABAQUS三维模型简介

有限元分析软件ABAQUS三维模型是一款具有强大模拟功能的工程应用软件，该软件已经在国内众多工程领域得到了广泛应用，并做出了巨大贡献[4]。近年来，随着计算机技术的不断成熟，ABAQUS三维模型的功能也得到极大改善，特别是非线性计算能力和多步骤分析能力的提升，对分步开挖施工的工法模拟十分方便。

在利用ABAQUS三维模型模拟输水隧洞开挖的有限元分析中，多步施工涉及的开挖断面的设置，可以利用软件中的Model change、remove和add等指令实现[4]。ABAQUS三维模型对围岩的模拟采用的是摩尔-库伦模型，单元形状采用的是八节点线性六面体单元，也就是每个单元由8个节点组成、每个节点又有3个自由度。

2.2 三维模型的建立和边界条件的设定

在开挖之后，地下洞室对周围岩层的影响范围大约是洞室内直径的3～5倍。大量的理论研究和试验操作证明，在距离洞室中心3倍距离处的围岩应力变化在10%以下[5]。因此，本次数值模拟研究考虑开挖范围的3倍，隧洞是以4 m为半径的半圆形，以平行于隧洞的水平方向为Y轴，隧洞横向为X轴的方向，宽度为56 m；以竖向为Z轴方向，向上为正方向，上下各取28 m，如果上部不足28 m则到地表。，取两个开挖进尺为7.0 m，小导管长度设置为5.0 m。

模型的约束条件为：对模型施加法向位移约束；除上边界为地表外设置为自由约束；竖直方向荷载采用自由载荷，也就是重力载荷。

2.3 材料的选取及其物理力学参数

在材料的选取方面，由于输水隧洞埋藏较浅，且周围地质环境比较单一，因此假设地层为理想的弹性塑性材料[6]；在进行小导管超前加固后，隧洞周围会形成均匀、单一的介质；小导管与加固区之间没有显著的相对滑移，与钢架之间的约束采用固定约束。材料的物理力学参数如表1所示。

表1 材料的部分物理力学参数

3 结果分析

3.1 应力与位移分析

对蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞小导管超前支护的三维模拟设置了两种工况：一是没有任何加固的工况；二是小导管注浆加固的外插角为6°，开挖采用上下台阶法，主要考虑有无小导管对注浆加固区以及整体加固效果的影响。

对于三维模型的分析首先从地应力平衡开始，其中注浆加固区的应力和位移云图如图1和图2所示。由云图可以看出，周围岩体施加在加固区上方的应力由于拱效应的存在而向两侧集中，这也是注浆加固能够起到超前支护的原因。两侧拱脚在没有加固措施时的最大位移量为7.28 mm，在外插角为6°时的最大位移量为3.39 mm，位移量有明显减少。

图1 注浆加固区应力分布云图

图2 注浆加固区位移分布云图

导管本身的作用也是重点，有必要对小导管的受力情况进行分析[7]。作为超前支护，小导管对开挖掌子面的坍塌或地形变形有较好的抑制作用，这一抑制作用主要包括：一是锚杆作用，小导管本身如同锚杆锚固，通过链接作用、均匀压缩作用以及组合梁作用的相互配合实现加固；二是棚架作用，也就是以未开挖稳定围岩和连接的钢拱架为支点，在纵向范围内起到梁的作用；三是在注浆后小导管与围岩胶结咬合，起到锚杆桩作用。通过模型模拟计算，获得如图3和图4的沿导管径向应力位移分布，其中导管1～5分别位于90°、67.5°、45°、22.5°和0°处。由图可知，随着导管位置角度的增大，竖向位移量不断加大，水平位移量则不断减小，也就是说两侧导管受到的水平应力影响较大，拱顶处导管所受的水平应力为零。由此可见，开挖段导管主要受竖向应力的影响，未开挖围岩中的部分受向上应力影响，且随深度的增大有所增加。

图3 导管竖向位移分布图

图4 导管水平位移分布图

3.2 打设角度对支护作用的影响

在超前加固施工中，施工方往往会根据工程地质特点和工法选择不同的打设角度[8]。为了分析小导管外插角对注浆加固效果的影响，并结合蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞的地质情况，选用10°和15°的小导管注浆加固模型对加固效果进行进一步分析。其中地面沉降的计算结果如图5所示。在不同的角度下，沉降位移有显著差异，在没有支护的条件下，开挖段的地表沉降位移最大值为7.22 mm，当小导管的外插角度为6°时，开挖段的地表沉降位移最大值为5.62 mm，此两项比未加固结果减少约22.1%和23.4%，加固效果明显；当小导管的外插角度为10°时，开挖段的地表沉降位移最大值为1.85 mm；此两项比未加固结果分别减少约74.4%和42.3%，比外插角为6°时分别减少约67.1%和24.6%；当小导管的外插角度为15°时，开挖段的地表沉降位移最大值为4.23 mm，加固效果明显小于外插角为10°的情况。在水平位移方面，不论外插角如何变化，对隧洞围岩的水平位移的影响都不明显，这也从侧面说明小导管超前支护在隧洞开挖中引起的应力分布主要体现在对竖向位移的影响。

图5 地面沉降曲线

3.3 塑性区分析

在ABAQUS软件中，等效塑性应变PEEQ用来描述材料的屈服现象，该值大于零说明材料发生了屈服现象。研究中分别对无支护以及外插角为6°、10°和15°支护时的PEEQ进行模拟计算，计算结果如图6～图9所示。

图6 无支护时塑性区域图

图7 小导管6°时塑性区域图

图8 小导管10°时塑性区域图

图9 小导管15°时塑性区域图

由云图可以看出，在现有施工条件下，开挖施工开始后隧洞两侧的一定区域内会出现程度不一的塑性区，主要集中在拱顶两侧45°区域内，说明该区域应力比较集中，容易造成围岩的屈服破坏。由图7可以看出，在采用6°小导管加固措施时，塑性区有明显改善，影响范围也明显减小。由图8和图9可以看出，当外插角为10°和15°时，整个区域的等效塑性应变值基本趋于0。结合上节分析，小导管的外插角度为10°时可以获得最佳支护效果。总之，采用小导管超前支护能够最大限度保持围岩稳定性，降低施工对围岩的扰动，足以保证输水隧洞在不良地质地段的正常施工。

4 结 论

通过ABAQUS软件对蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞小导管超前支护进行了数值模拟分析，说明小导管注浆超前支护技术在破碎岩层或软土地质环境下的隧洞施工中的应用价值，小导管注浆超前支护在保证隧洞开挖、衬砌的连续性以及施工安全性方面具有重要作用。主要结论为：

(1)利用有限元分析软件ABAQUS构建出蒲石河抽水蓄能电站输水隧洞小导管注浆超前支护的三维模型，该模型便于对分步开挖施工的工法模拟。

(2)通过数值模拟分析验证了小导管在加固过程中的积极作用。

(3)通过对小导管不同外插角度的模拟分析，说明小导管的外插角度对加固效果有一定的影响，在本文的特定研究对象中该角度的最佳值接近于10°。

[1] 王福运,冯吉新,史有富.蒲石河抽水蓄能电站工程下水库坝施工导流过水围堰设计[J].人民珠江,2013(2):34-36.

[2] 董秋艳.蒲石河水库库区水井封堵技术[J].黑龙江水利,2016 (5):74-76.

[3] 袁长安,单兰亮,罗维成.蒲石河电站下库灌浆平洞开挖及衬砌支护施工[J].水利水电施工,2011 (2):34-37，40.

[4] 彭芳乐,ChattonjaiP,华针.基于Abaqus软件的砂土弹塑性本构实现及验证[J].同济大学学报(自然科学版),2014(3):370-376.

[5] 段佳捷.ABAQUS软件在土石坝防渗设计中的运用[J].湖南水利水电,2016(4):36-39.

[6] 崔金平.隧道穿越断层破碎带的小导管注浆处治研究[J].水利与建筑工程学报,2011(4):97-99.

[7] 宋卫民,李傲松.超前小导管注浆支护在黄金坪隧道的应用[J].东北水利水电,2011(10):17-18.

[8] 刘天宇.超前小导管在隧道工程中的应用及数值模拟[J].土工基础,2013(2):67-70.

张大年(1989-) ，男，辽宁桓仁人，助理工程师， 主要从事水利工程管理工作。E-mail：ZDN010@163.com。

U455.7

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2096-0506(2017)01-0063-04