输水隧洞破碎岩洞段大变形控制方案比选研究

刘广茹

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

某输水工程是辽宁省十四五期间规划建设的重点输水工程，工程建成之后可以有效解决辽宁省西北部地区的工业和生活用水安全[1]。该工程输水隧洞二标段穿越F33断层洞段地质环境比较复杂，岩体风化破碎情况比较严重，不仅岩性软弱、整体性较差，同时岩体中还夹杂多层凝灰岩。由于凝灰岩极易遇水软化，且部分洞段有地下水渗出，围岩强度应力比小于0.12，对隧洞的衬砌安全造成比较严重的威胁。针对该洞段的地质情况，拟采用全断面超前注浆加固和三台阶开挖法的施工方案，同时在施工中做好止水工作，确保开挖施工安全。为了保证施工安全。但是，该洞段的原始工程设计为Ⅳ级锚喷型支护，直墙圆拱洞型，支护钢架的强度相对较低，并不能有效增强围岩的承载力，不利于该洞段发生大变形情况下的变形控制[2]。基于此，此次研究通过数值模拟的方法，对大变形控制方案进行优化，为工程设计和建设提供有益的支持和借鉴。

1 有限元计算模型

1.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司研发的一款速度最快的计算机辅助工程软件，该软件可以和多种CAD接口连接，完成数的交换和共享。ANSYS软件主要由前处理、计算分析和后处理3个模块组成，在航空航天、交通、造船、水利、岩土工程、机械制造、能源等多个领域均有广泛的应用。因此，此次研究选择ANSYS软件进行背景工程研究洞段的有限元模型构建[3]。

1.2 模型构建

在研究洞段的大变形模拟计算分析过程中，选择SD2+221—SD2+271段作为研究对象，该断面的围岩等级为Ⅴ级，埋深为40m。研究洞段的围岩比较破碎，且节理发育，在施工过程中容易发生大变形[4]。由于围岩岩体整体性较差，因此在模型构建过程中对模型的左右边界各选取10倍洞径，上部边界为地表，下部边界为5倍洞径，最终获得模型的尺寸为160m×82m×50m。对模型利用6面体8节点单元进行网格划分，并对隧洞周边岩体和断裂部位进行局部加密[5]，最终获得144682个网格单元，109967个节点。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.3 模型参数与边界条件

受到多种因素的影响，模型地质岩体的初始应力变化较大，由于地温对地下水的影响相对较小可以忽略不计，因此主要考虑岩体自重和地质构造作用的影响[6]。在模型计算过程中，将构造应力场和自重应力场进行叠加并施加与模型[7]。另一方面，对模型的侧面施加水平位移约束，对模型的底面施加全位移约束，模型的上表面为自由边界条件[8]。

模型的岩土体分层材料计算参数依托工程实际，结合前期勘钻资料和实际开挖情况确定，其具体的取值见表1。

表1 模型土体参数

2 研究洞段大变形控制方案

由于研究洞段围岩的岩性比较破碎，因此在确定大变形控制方案时考虑采用屈服支护和阻力支护相结合的联合支护措施，并控制方案进行设计和预期优选。在方案设计过程中，主要考虑如下支护措施：一是提高研究洞段围岩的自承力，减小围岩塑性变形的半径；二是从开挖支护刚度和允许变形量的角度考虑，对支护体系进行优选。基于此，拟定出如下4种围岩大变形控制方案进行优选。

方案1：该方案采用单层初期支护，预留变形量为20cm；初支结构为厚25cm的C25喷射混凝土+I18钢拱架，初支成环与施工掌子面的距离小于12m。

方案2：该方案为“抗放结合”的双层初支结构设计，预留变形量为40cm。第一层初支结构为厚25cm的C25喷射混凝土+I20钢拱架；第一层初支结构为厚22cm的C25喷射混凝土+I18钢拱架；开挖过程中仰拱和下台阶同时开挖

方案3：该方案的支护方案与方案2基本相同，开挖采取的是上下台阶、仰拱填充分别开挖，为“边抗边放、抗放结合”。

方案4：该方案采用“强支”单层初期支护的方式，预留40cm的变形量。其中，初支结构为厚27cm的C25喷射混凝土+H175钢拱架；在边墙收敛变形达到30cm时施作套拱，套拱采用的是厚22cm的C25混凝土+I18钢拱架。

3 计算结果与分析

3.1 位移

利用构建的有限元模型，对4种不同方案下输水隧洞研究洞段围岩位移进行模拟计算，从计算结果中提取不分时间节点的拱顶沉降和拱腰收敛位移量，结果见表2。由表中的计算结果可以看出，方案1拱顶累积位移量为47.22mm，拱腰收敛位移量累计值为577.64mm。在围岩加固之后，拱腰收敛变形得到明显控制，但是在掌子面开挖之后又开始变形，并且在模拟计算结束时仍没有稳定收敛的趋势，因此无法保证施工的正常进行。方案2的拱顶累积位移量为54.01mm，拱腰收敛位移量累计值为488.67mm，且计算结束时拱腰变形仍不收敛，表明支护结构无法承受围岩施加的压力，隧洞结构的稳定性并不理想。方案3的拱顶累积位移量为144.71mm，拱腰收敛位移量累计值为671.91mm，虽然最终位移量相对较大，但是计算结束之后平稳收敛，围岩大变形可以得到有效控制。鉴于变形量较大，如果预留变形在70cm左右可获得较好的大变形控制效果。方案4拱顶累积位移量为84.44mm，拱腰收敛位移量累计值为340.03mm，与其他方案相比，变形不仅可以获得稳定收敛，且累积位移量明显较小，可以获得最佳大变形控制效果。

表2 各控制方案位移量计算结果 单位：mm

3.2 应力

利用构建的有限元模型，对4种不同方案下输水隧洞研究洞段围岩位移进行模拟计算，从计算结果中提取不分时间节点的拱顶沉降和拱腰收敛位移量，结果见表3。由表中的计算结果可以看出，各个设计方案在施工接近完成的情况下，典型部位的最大主应力均表现出收敛的变化趋势，说明各方案在应力控制方面都具有比较明显的效果。同时，从表中的计算结果还可以看出，在施工中预留变形可以有效释放围岩应力，从而实现对支护结构所承受的围岩压力的有效控制，而增加衬砌结构的刚度可以有效提升衬砌对围岩压力的承载能力，并表现为支护应力的明显增大，综合考虑围岩应力释放变化特点以及应力的最大值，方案4的应力控制效果最佳。

表3 各控制方案位最大主应力计算结果 单位：mm

3.3 塑性区

利用构建的有限元模型，对4种不同方案下输水隧洞研究洞段围岩塑性区进行模拟计算，从计算结果中提取不分时间节点塑性区分布数据，并绘制出塑性区面积变化曲线。由图2可以看出，塑性区面积随着时间的变化呈现出不断增大的变化趋势。从不同方案的对比结果来看，在计算结束时方案1的塑性区面积最大，且没有出现收敛的变化特征；方案2和方案3虽然在计算结束时出现收敛现象，但是与方案4相比塑性区面积明显偏大。由此可见，在所有的4个方案中，方案4的计算结果收敛较快，且塑性区面积明显偏小，为最佳方案。

图2 塑性区面积变化曲线

4 结语

此次研究利用数值模拟的方式，对某输水工程输水隧洞穿越破碎岩洞段施工中的大变形控制方案进行比选研究，结果显示属于强支护理念的方案4在位移、应力和塑性区控制方面具有明显的优势，为最佳施工方案。在背景工程研究洞段施工监测数据来看，施工中的位移、应力监测数据与本文的计算结果比较接近，说明此次研究采用的方法具有科学性和准确性，可以为相关研究提供有益的支持和借鉴。当然，随着水利工程建设技术的不远发展，大变形隧洞新型支护技术日渐增多，因此在今后的研究中，还应该侧重于施工新技术的开发和应用，构建起安全系数和施工效率更高的新型支护体系。