泄洪洞进口软岩洞段管棚超前支护参数优化研究

唐镱瑄

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程背景

清河水库是一座兼有供水、防洪、灌溉等多种综合功能的大型水利工程，其坝址位于辽宁省铁岭市清河区境内的清河干流上[1]。清河水库建成于20世纪50年代，集雨面积2376 km2，设计库容9.71亿m3。水库的大坝为混凝土面板堆石坝，坝长1622.0 m，最大坝高39.6 m，坝顶宽6.0 m，水库的泄洪设施由溢洪道和泄洪洞构成。其中，6孔溢洪道的最大下泻流量为4210 m3/s，大坝左侧设置有备用泄洪洞，其最大下泻流量为300 m3/s[2]。在水库运行期间，坝址以上流域曾经发生过多次特大洪水，给水库造成了比较大的泄洪压力。为了保证水库的安全运行，经多方论证后，拟将清河发电厂节水升级改造之后废弃的回水隧洞改造设计为第二泄洪洞。改建之后的泄洪洞全长1800 m，主要由进口段、洞身段和出口段三部分构成。其中，泄洪洞进口段为喇叭形，全长8.05 m，洞身段采用城门洞型断面设计，断面尺寸为5.0 m×5.5 m，出口处为明渠设计，长度为142.5 m，设计纵坡为3.13%。

改造工程需要对进口段进行重新开挖衬砌。由于该洞段埋藏较浅，且属于构造侵蚀山地地貌，为中风化砂岩与粉质砂岩岩性，夹少量细砂岩，岩体为极软到软质岩类为主的层状破碎结构，地质环境比较复杂。参照相关的工程设计，在开挖前先作超前预支护管棚[3]，保证管棚和岩土体之间填充密实，避免施工中的过度沉降是工程设计中的重要问题[4]。

2 MIDAS GTS有限元模型

2.1 模型的构建

MIDAS GTS是韩国 MIDAS IT 公司的一款大型通用有限元分析软件。该软件具有中文界面、建模快、专业分析及前后处理功能强大等诸多优势，因此被广泛应用于岩体和隧道工程的设计和分析领域[5]。本研究利用MIDAS GTS软件进行三维有限元模型构建。

为了避免有限元数值模拟分析过程中无限域或半无限域问题造成计算过程中出现较大的误差，因此需要选择合适的计算区域[6]。相关研究成果表明，均匀弹性地层中的隧洞工程，其卸荷的位移和应力的影响99%以上集中于5倍洞径以内，95%以上集中于3倍洞径以内。因此，本次研究的计算范围选择4倍洞径。模型的上方延伸至地表，下方在隧洞底部向下取40 m，沿着输水隧洞的轴线方向取30 m。以隧道轴线指向下游方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴指向右侧的方向为X轴正方向。在模型计算过程中仅考虑自重应力，忽略构造应力。计算的边界条件为地层的两侧取垂直约束，上部为自由边界条件，底部为全位移约束[7]。模型围岩采用 Mohr—Coulomb 准则，采用均质弹塑性模型，管棚采用弹性结构梁单元模拟，喷混结构采用结构板单元模拟。为了提高模拟计算的精度，对隧洞周围部分进行网格加密处理，最终获得10 230个网格单元，9897个计算节点。

2.2 计算参数与方法

根据地质勘测资料，隧洞围岩的物理力学参数按照工程前期的地质勘查报告选取。根据相关研究成果，注浆加固后的软弱岩土体可以将围岩的等级提高一个级别，黏聚力则可以提高2～3倍[8]；对于注浆封口之后的管棚，则采取等效方法进行计算，各个支护结构及围岩材料的物理力学参数如表1所示。

表1 支护结构及围岩物理力学参数

数值模拟计算通过MIDAS GTS中施工阶段对输水隧洞结构的单元设置“钝化”和“激活”两种状态来实现开挖过程，在开挖之前先进行管棚的施作，在加固岩土体之后进行初期支护的施作。

3 计算结果与分析

3.1 环向间距的计算结果与分析

为了研究环向间距对支护效果的影响，研究中保持管棚长度为20 m，管径为100 mm，管棚的布置范围和注浆范围保持不变，设计30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和70 cm等5种不同的管棚间距，利用构建的数值模拟模型，对围岩的位移进行模拟计算。从计算结果中提取拱顶、底板和拱腰的累积位移量，结果如表2所示。

由表2可以看出，隧洞不同部位的位移随着管棚间距的减小而减小，说明减小间距对控制施工过程中的围岩变形有利。具体来看，当间距从70 cm 减小到30 cm时，拱顶沉降量从50.53 mm减小到28.35 mm，说明间距对拱顶沉降存在较大影响；从底板变形量来看，间距>50 cm时变形量随间距的减小而有效大幅度的减小，在间距<40 cm时，减小的幅度十分有限;从拱腰变形量来看，也具有类似的特征。由此可见，减小管棚间距对控制围岩位移变形有利，但是加大施工作业难度和成本。结合模拟计算数据，管棚的环向间距以40 cm较为合理。

表2 不同间距的围岩位移计算结果

3.2 管棚管径计算结果与分析

为了研究管棚管径对支护效果的影响，研究中保持管棚长度为20 m，管棚间距40 cm，管棚的布置范围和注浆范围保持不变，设计90 mm、100 mm、150 mm、200 mm和300 mm等5种不同的管棚管径，利用上节构建的数值模拟模型，对围岩的位移进行模拟计算。从计算结果中提取拱顶、底板和拱腰的累积位移量，结果如表3所示。

表3 不同管棚管径的围岩位移计算结果

由表3中的数据可以看出，随着管棚管径的增大，隧洞拱顶和底板的位移量均有所减小，管径达到150 mm时，位移量减小的幅度明显降低。由此可见，增大管棚管径对控制拱顶和底板的位移有较大的作用，一方面，隧洞的拱腰位移变形随着管棚管径的增大波动变化，说明增大管棚管径对控制拱腰变形的作用并不明显。另一方面，增大管棚管径不仅会大幅增加施工成本，同时钻孔的难度也会迅速增加。综合考虑所有因素，管棚管径为150 mm较为合理。

3.3 管棚长度计算结果与分析

为了研究管棚长度对支护效果的影响，研究中保持管棚间距40 cm，管棚管径150 cm，管棚的布置范围和注浆范围保持不变，设计10 m、15 m、20 m、25 m和30 m等5种不同的管棚长度，利用上节构建的数值模拟模型，对围岩的位移进行模拟计算。从计算结果中提取拱顶、底板和拱腰的累积位移量，结果如表4所示。

表4 不同管棚长度的围岩位移计算结果

由表4中的数据可以看出，随着管棚长度的增大，隧洞各部位的位移量呈现出逐渐减小的趋势。但是，除了管棚长度由10 m增加到15 m时各部位位移量的减小幅度相对较大外，再增加管棚长度，围岩位移量的减小的幅度较为有限。由此可见，管棚长度对隧洞围岩的位移变形存在一定的影响，但是影响较为有限。综合施工技术和成本等方面的因素，管棚长度为20 m较为合理。

4 结 论

本次研究以清河水库第二泄洪洞为例，利用数值模拟的方法进行了管棚设计参数优化研究，获得的主要结论如下：

(1)隧洞不同部位的位移随着管棚间距的减小而减小，但是管棚间距<40 cm时，减小的幅度十分有限，因此管棚的环向间距为40 cm较为合理。

(2)增加管棚管径对控制拱顶和底板的位移具有十分显著的作用，对控制拱腰变形的作用并不明显。当管径>150 mm时，控制拱顶和底板位移的作用明显降低。综合考虑所有因素，管棚管径为150 mm较为合理。

(3)增加管棚长度对控制隧洞各部位的位移有利，但是作用较为有限。综合施工技术和成本等方面的因素，管棚长度为20 m较为合理。