输水隧洞旁通洞施工围岩及一次支护有限元分析

吕昀龙

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某输水隧洞主洞与旁通洞交叉段为38 m，交叉段后接长35 m检修洞，隧洞主洞尺寸7.64 m×7.77 m(宽度×高度)，交叉段隧洞尺寸7.7 m×9.356 m(宽度×高度)，检修洞尺寸10.3 m×13.95 m(宽度×高度)，旁通洞尺寸7.3 m×7.05 m(宽度×高度)。隧洞均为城门洞型，主旁通洞以45°角度、半径30 m平顺相交。检修洞与旁通洞间距为13.25 m。主洞喷混厚度为120 mm，φ22随机砂浆锚杆长度L=3 m。交叉段喷混厚度为150 mm，φ22砂浆锚杆长度L=4.5 m，间、排距1.5 m。检修洞段喷混厚度为150 mm，φ22砂浆锚杆L=4.5 m，间、排距1.2 m。旁通洞喷混厚度为120 mm，φ22随机砂浆锚杆长度L=3 m。现场开挖及支护顺序为：主洞段-交叉段-检修洞段-旁通洞段。隧洞处于泥盆系凝灰质砂岩及华力西黑云母花岗岩中，围岩整体稳定性好，地质提供资料判定此处为Ⅱ类围岩。

2 计算模型

考虑隧洞分步开挖及支护等过程，采用Midas GTS NX建立三维模型。为了模型与现场实际更接近，根据有限元模型建模范围由相关文献可知，约5倍隧洞洞径以外的围岩对于引水隧洞的影响基本可忽略不计[1-2]，因此本文计算围岩区域选择100 m×85 m范围内建模计算。外围岩体均为Ⅱ类围岩，岩体采用摩尔-库伦弹塑性模型，喷混采用弹性结构模型，实体网格采用混合网格型式。计算工况为主洞及旁通洞分步开挖、支护工程围岩及支护应力及位移变化。初始状态是指隧洞所在的地质区域未受到人工扰动之前就已客观存在的状态，包括自重应力场和构造应力场，其中以自重应力场为主。隧洞开挖后，一次支护及时施作。见图1。

图1 主洞、检修洞及旁通洞空间位置示意图

3 计算参数

见表1、表2。

表1 喷混材料参数

表2 围岩力学参数

4 计算分析

根据现场实际开挖顺序(主洞段-交叉段-检修洞段-旁通洞段)模拟，施加重力作用后，对模型施加边界条件，利用软件对初始应力场位移清零。再利用GTS NX中激活与钝化网格模拟现场开挖及施工一次支护过程。模拟的基本思路是：开挖部分的岩体钝化，同时激活相应支护单元。根据分步开挖围岩及一次支护共同作用时应力释放，最终得到各施工工况应力及位移变化。见图2-图5。

图2-图5为隧洞分步开挖隧洞围岩位移分布云图。从图2-图5可知，隧洞交叉口处及检修洞大断面顶部围岩竖向沉降较大，此处极易出现应力集中，建议此处钢拱架应适当加密且施工期间应加强该处监测频次。

交叉口处隧洞底板均有不同程度隆起，特别是施工交叉口处，隧洞底隆起较明显。隧洞断面变化处围岩位移分步出现局部集中现象，建议施工大断面掌子面时应将顶拱及侧墙处锚杆加密且加长，加强该处监测频次。

图2 主洞段开挖工况位移图

图3 交叉段开挖工况位移图

图4 检修洞段开挖工况位移图

图5 旁通洞段开挖工况位移图

图6-图9为隧洞分步开挖隧洞一次支护应力云图。

图6 主洞段开挖工况应力云图

图7 交叉段开挖工况应力云图

图8 检修洞段开挖工况应力云图

图9 旁通洞段开挖工况应力云图

从图6-图9可知，隧洞交叉口处及检修洞大断面顶部一次支护应力较大，且此处大位移分布区域较大、分布线发生较大变化，这可能导致此区域岩石表层圈发生错动，出现局部塌方现象。施工时应加强该处一次支护强度，建议此处加密钢拱架设置，远离交叉口主洞及旁通洞应力分布基本相同，底板处应力相对较大[3]。

5 结 论

1) 本工程开挖及支护方案可行，稳定后一次支护应力在局部出现应力集中，需加强现场监测。洞顶竖向最大变形量不超过9.65 mm。

2) 本工程拟定开挖先后顺序合理，检修洞和旁通洞洞净间距为13.25 m，满足设计要求。

3) 大断面及隧洞交叉口处开挖支护是一个施工环节多、程序严谨的复杂过程，在施工中应科学选择合理的施工顺序，制定完善的支护方案。