某抽水蓄能电站交通隧洞软弱围岩支护结构有限元分析

金丙茹

摘 要：某抽水蓄能电站交通隧洞出口围岩不稳定，开挖过程中容易出现大的变形甚至塌方，该工程采用支护方式解决此问题。通过建立隧洞模型，对其支护结构进行有限元计算及分析。结果表明，支护结构设计合理，且安全可靠。

关键词：抽水蓄能电站;交通隧洞;软弱围岩;支护;有限元

中图分类号：U455.7 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）34-00-03

Finite Element Analysis of Soft Surrounding Rock Support Structure of Traffic Tunnel of a Pumped Storage Power Station

JIN Bingru

（School of Civil Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang Henan 471000）

Abstract： The surrounding rock at the exit of the traffic tunnel of a pumped storage power station is unstable， and it is easy to have large deformation or even collapse in the excavation process. Therefore， the project adopts support to solve this kind of problem. In this paper， the finite element calculation and analysis of its supporting structure are carried out by establishing the tunnel model. The results show that the design of support structure is reasonable， safe and reliable.

Keywords： pumped storage power station;traffic tunnel;weak surrounding rock;support;finite element

1 工程概況

某抽水蓄能电站交通隧洞进口位于下库坝址上游约215 m，进口高程为314.575 m;出口位于下库坝址下游约190 m，出口高程为288.973 m;全长393 m，平均坡度约5.88%;其中隧道长度为379 m，隧道建筑界限为8.5 m×6.5 m。下库绕坝交通隧洞设计等级为水电三级。

下水库（坝）区地质构造以断层、侵入岩脉为主，结构面主要为节理、裂隙。出口段受断层及岩脉影响，岩体较破碎，完整性差，节理发育，围岩以Ⅳ类为主，局部存在Ⅴ类围岩，稳定性差。

2 隧洞支护方案

采取复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架组合形式，二次衬砌为整体式衬砌（C30钢筋混凝土），具体衬砌支护参数见表1。

3 初期支护的有限元计算及分析

采用地层结构法[1]计算初期支护的内力和变形，围岩的特性参数值如表2所示。

根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.0—2018），确定支护材料的力学性能参数如表3所示。

通过模拟分析计算，初期支护内力计算结果如图1所示。衬砌弯矩最大值在拱顶A处，最大值为9.45 kN·m;压力最大值在拱脚B处，最大值为302.55 kN;剪力最大值在拱顶C处，最大值为16.75 kN。

根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018），抗压强度验算和抗剪强度验算公式分别如式（1）和式（2）所示：

KN≤φαRbh （1）

KQ≤0.07Rbh （2）

式中：K表示安全系数;N和Q表示轴向力和剪力;φ表示构件纵向弯曲系数;α表示轴向力的偏心影响系数;R表示混凝土的抗压极限强度;b和h表示截面宽度和厚度。

对A、B、C三点进行强度验算[2]，计算过程见表4和表5，其中各参数按规范要求取值：K=2.0，φ=1，b=

0.25 m，h=1 m，R=19.0 MPa。

经计算，初期支护的抗压强度和抗剪强度均满足规范要求，有效保障了围岩的稳定性和施工的安全性。

4 二次衬砌的有限元计算及分析

采用荷载结构法计算二次衬砌的内力。先计算作用在二次衬砌上的荷载，本次模拟主要计入的荷载包括衬砌上方的弹性抗力、垂直压力和水平侧压力，计算公式分别如式（3）、式（4）和式（5）所示：

式中：σ表示弹性抗力的强度;k表示围岩弹性抗力系数;δ表示衬砌朝向围岩的变形值;q和e表示作用在支护结构上的垂直均布荷载和水平侧压应力;H、h和Bt表示隧道埋深、隧道底部到地面的距离和隧道宽度;γ表示隧道上覆围岩重度;λ表示侧压力系数;θ表示摩擦角。

代入各参数[3]计算得：弹性抗力强度σ=159 kN/m;侧压力系数λ=0.16;垂直压力q=317.8 kN/m;水平侧压应力e=119.9 kN/m。

通过模拟分析计算，二次衬砌内力计算结果如图2所示。二次衬砌压力最大值在拱脚D处，最大值为3 386.2 kN;弯矩最大值在拱脚E处，最大值为1 772.9 kN▪m。对D、E两点进行强度验算，经计算均满足设计规范要求，故二次衬砌可以为围岩的稳定提供有效保障。

5 施工情况及注意事项

按照施工设计图纸进行施工。根据现场施工反馈，出口处已施工段围岩变形较小，无明显裂缝，表明支护结构强度满足要求，为围岩稳定性提供了可靠保障。施工中应注意以下事项。

第一，地质勘察在隧洞工程施工中起着重要作用，因此在施工过程中应做好地质勘察工作，通过采用不同的勘察技术手段，对还未施工的隧洞掌子面地质进行勘测。对于地质变化较大的段落，要及时联系设计单位，核实设计的合理性，相应地调整施工方案。

第二，对于岩体风化程度高、岩体破碎的偏压情况，可以通过注浆的方式加固岩体，待其硬化达到设计要求后再进行开挖。注浆过程中应注意以下几点：注浆孔位布置应按照设计要求做好标记;钻孔注浆时，先钻上方，注浆结束后，待其强度达到要求后再继续进行下一孔注浆;钻孔深度应达到设计要求位置，钻孔过程应缓慢轻压，防止钻位出现偏差;注浆前应做注水试验，检查注浆设备的密闭性。

第三，初期支护在开挖岩体后应及时施作，防止开挖断面岩体出现松动甚至塌方等灾害[4]。按照施工图设计断面尺寸，先开挖上部拱顶岩体，严格控制开挖断面。开挖后及时清理裸露松散岩块，检查超欠挖情况，及时喷射C25混凝土封闭岩面，减少岩体松动变形。

第四，砂浆锚杆采用C22钢筋按照设计要求制作，提前准备好注浆设备，按照隧洞施工设计图纸确定砂浆锚杆布设位置，并用红漆做好标记。钻孔大小和深度应符合施工规范要求，钻孔结束后应及时采用高压水枪清孔。按照要求配合比配置砂浆液，砂浆液应搅拌均匀。在清理干净的孔内注满砂浆液后插入制作好的锚杆，并做好养护工作，确保砂浆强度可以达到设计值，使锚杆能充分发挥锚固作用[5]。

第五，在砂浆锚杆布设结束后进行钢筋网的支护。为了加快施工进度，采用提前制作好的钢筋网片。在洞外制作钢筋网片，按照设计要求间距250 mm×250 mm焊接钢筋形成长2 m、宽1 m的钢筋网片，集中存放，并做好防潮防锈措施，在钢筋网支护前运往洞内拼接。运输过程应小心，避免钢筋变形。钢筋网片应铺满整个断面，与锚杆进行焊接固定，另外采用焊接的方式將各个钢筋网片进行拼接。在喷射混凝土时，要保证钢筋网片的保护层厚度满足施工规范要求。

第六，按照设计尺寸预制加工钢拱架。先将适宜长度的工字钢整体冷弯成型，然后按照隧洞开挖方案断面尺寸分割成段，并焊接上连接板，应保证相连段连接板螺栓孔对应准确无误。加工好的钢拱架在保存时应注意做好防潮防锈措施，运往施工现场时应注意保护，避免产生变形。在安装钢拱架时应多点固定，保证拼接顺利。

第七，在钢拱架安装好后进行混凝土喷射。先按照设计配合比要求配置混凝土，然后在拌和站拌和均匀后通过湿喷设备进行混凝土喷射。需按照设计要求喷射厚度进行喷射，喷射时应调整压力和角度，以确保喷射的质量满足施工要求。在混凝土喷射完毕后应及时进行坑洼抹平。分层喷射时应保证前一层混凝土凝结强度达到要求后再喷射，以保证分层混凝土之间更好地结合。

6 结语

通过对隧洞初期支护和二次衬砌的有限元分析和理论进行计算，验证了支护结构的安全可靠性，同时发现该项目衬砌的拱顶及拱脚处是荷载验算的危险截面，可为以后类似地质条件的隧洞工程设计提供宝贵的经验。

参考文献：

[1]董新平.某大跨度隧道支护破坏原因分析[J].现代隧道技术，2011（4）：92-96.

[2]贾亮，戚铁.新建太兴铁路Ⅴ级围岩黄土段隧道支护参数研究[J].铁道标准设计，2012（9）：85-88.

[3]吕刚.新建包西铁路通道包头至大保当段Ⅳ级深埋砂岩段隧道支护参数研究[J].铁道标准设计，2009（4）：93-95.

[4]汪正宏.软弱围岩隧道支护方法对比与效果分析[J].工程与建设，2016（5）：682-684.

[5]张宝成.草帽山隧道围岩支护模拟分析[J].北方交通，2012（3）：107-110.