引水隧洞支护时机对支护结构的影响

陈 丽

(沈阳市水务事务服务与行政执法中心，辽宁 沈阳 110036)

随着我国经济的迅速发展，新建了大量的基础设施，引水隧洞作为解决水资源不平衡问题的重要工程，被大力新建。引水隧洞周边围岩的稳定性严重影响了引水隧洞整体结构的安全和稳定性。为保证引水隧洞稳定性，合理的支护类型和结构被广泛应用，如初期支护、二次衬砌等。

众多学者针对引水隧洞支护结构的问题开展了一系列的研究，并取得了丰硕成果。吴世勇等[1]基于锦屏二级水电站引水隧洞工程，利用有限元软件建立三维数值模型，分析了不同支护结构对引水隧洞施工过程中围岩稳定性的影响，通过对比围岩的受力变形，明确了该工程合理的支护方案和参数。徐干成[2]以某引水隧洞工程为研究对象，基于黏弹性边界元法预测了引水隧洞采用锚喷支护下围岩的受力变形，系统地对相关敏感参数的影响进行分析，评估了引水隧洞的围岩稳定性。胡云进等[3]通过有限元软件建立三维引水隧洞耦合模型，分析了外压作用下内水外渗的渗流-应力-开裂，进一步研究了不同压力下的围岩稳定性。彭守拙等[4]以某压力作用的引水隧洞工程为研究对象，分析了引水隧洞施工过程中混凝土衬砌产生的裂缝规律，进一步研究了围岩的接触条件。闫治国等[5]基于某采用盾构施工的引水隧洞工程，研究了引水隧洞施工过程中管片接头的受力变形，系统研究了不同部位管片的接头力学与变形模型。王俊淞等[6]以某采用双层衬砌结构的引水隧洞为研究对象，采用离心模型试验研究了双层衬砌结构的支护效果。

文章以某引水隧洞工程为研究对象，通过有限元软件建立三维数值模型，分析了引水隧洞支护结构的稳定性。对比不同二衬衬砌支护时机下支护结构的受力变形。

1 工程概况

某引水隧洞工程穿越断层破碎带，隧洞沿线的主要地层为志留系茂县群第四岩组，由石英云母片岩、长英质变粒岩等组成。该引水隧洞所处地区地质构造较为复杂，有宽度为0.2～1.1m的断层破碎带，强卸荷带水平深度为2.2～21.2m，其垂直深度不大于18m。弱卸荷带主要为沿顺层发育，水平深度为27.3～39.8m，其垂直深度范围为28.8～37.5m。

2 三维数值模型

2.1 数值模型及参数选取

依据工程背景和设计方案，利用三维有限元软件建立三维数值模型，如图1所示。引水隧洞的直径为16m，剖面图显示模型由内到外分别为开挖的隧洞、厚度为1.2m强度等级为C30的混凝土、厚度为0.3m强度等级为C25的混凝土、厚度为3m的强卸载区域、厚度为10m的强卸载区域、断层破碎带、围岩。

图1 三维数值模型图

文章选择有限元软件中内置的CVISC模型来模拟流变。其中EM为弹性模量，EK为黏弹性模量，ηM为Maxwell黏性系数，ηK为Kelvin黏性系数，当模型中应力小于摩尔-库伦本构模型的长期屈服应力时，元件的应力应为0，其本构方程为

(1)

当模型中应力不小于摩尔-库伦本构模型的长期屈服应力时，元件处于塑性流动状态，其本构方程为

(2)

表1给出了不同应力释放率对应的变形模量，表2给出了引水隧洞开挖过程中围岩的物理力学参数，表3给出了引水隧洞开挖过程中围岩的流变参数。

表1 不同应力释放率对应的变形模量

表2 围岩的物理力学参数

表3 围岩的流变参数

2.2 隧洞支护方案

引水隧洞采用喷射混凝土加锚杆作为初期支护，在隧洞掘进过程中支护需及时[7-8]。选用C30等级的混凝土进行二次衬砌支护，二次衬砌厚度为1.2m，选择不同时机进行施工。图2给出了支护布置图。采用各向同性的弹性模型模拟支护结构，具体的，用实体单元模拟混凝土结构，用软件内置的Cable SEL单元来模拟锚杆结构。

图2 支护布置图

依据文章研究的内容，在初衬支护和二次衬砌结构上设置观测点，观测点的布置如图3所示。初衬支护结构的观测点分别定义为a、b、c、d，二次衬砌结构的观测点分别定义为A、B、C、D。

图3 观测点的布置图

3 数值结果分析

3.1 二次支护时机指标

为了更好地分析围岩的变形规律，选择隧洞拱底和拱顶的相对位移作为考量二次支护时机的标准，记相对位移为Δab。首先找出相对位移Δab跟随应力释放率的变化规律，具体的流程如下：

(1)在隧洞初衬支护完毕，施工二次衬砌前，应力释放率以步长5%从0%逐渐增大到100%(其中100%代表不施工二次衬砌)，观察30天内不同应力释放率下观测点a、b、c、d的位移。

(2)依据观测点a、b、c、d的位移，绘制出相对位移Δab随着应力释放率的变化曲线，如图4所示。当应力释放率达到100%时，相对位移Δab为301.1mm，将此值定义为Δabmax。将Δabmax的20%、40%、60%、80%选为二次不同支护时机，对应的相对位移分别为60.2、120.4、180.7、240.9mm。

图4 相对位移Δab随着应力释放率的变化曲线

(3)将上述相对位移带入图3，可以得到4个相对位移所对应的应力释放率分别为26%、47%、68%和89%。将这4个应力释放率带入表1并进行插值，得到对应的变形模量，将其依次输入模型进行模拟。

3.2 长期运行过程中支护结构变形

引水隧洞在运营过程中，对上述4个支护时机进行流变计算50年，图5给出了观测点A、B、C、D在0～50年过程中的变形曲线。从图中可以看出，虽然30天内施做二次衬砌后支护结构变形值有所区别，但在不同支护时机下，引水隧洞变形在5年时间左右基本可以收敛，引水隧洞变形在10年时间左右完全收敛。此外，随着二次衬砌支护时机在最大相对位移的占比越大，二次衬砌支护后引水隧洞收敛变形愈小。可见，二次衬砌支护前适度能有效限制二次衬砌所导致的变形。并且，引水隧洞流变变形在二次衬砌支护后经历两个阶段：衰减流变和稳定流变。

图5 观测点A、B、C、D在0～50年过程中的变形曲线

3.3 二次衬砌支护时机确定

将不同阶段下支护结构长期变形值和长期应力值作为指标，深入研究二次衬砌时机的影响。表4和表5分别给出了不同运营时期下衬砌结构的变形和应力值(运营时间分别为1年、5年、10年、50年)。

表4 不同运营时机下衬砌结构的变形 单位：mm

表5 不同运营时机下衬砌结构的应力 单位：MPa

从表中可以看出，当运营时期相同时，不同支护时期下，二次衬砌支护时机在最大相对位移的占比越大，观测点的变形和应力值越小。此外，当二次衬砌支护时机相同时，随着运营时期的增长，二次衬砌结构的长期变形和应力会增加，当运营时间为5年时，引水隧洞变形基本收敛；当运营时间达到10年时，引水隧洞变形完全收敛。当二次衬砌支护时机为20%Δabmax时，支护产生的结构第三主应力峰值大于等级为C30混凝土的抗压强度。当二次衬砌支护时机分别为40%Δabmax、60%Δabmax、80%Δabmax时，支护产生的结构第三主应力峰值小于等级为C30混凝土的抗压强度。基于先让后扛原则，当二次衬砌支护时机为80%Δabmax时，其支护效果最优。

4 结论

以某引水隧洞工程为研究对象，分析了引水隧洞支护结构的稳定性。对比不同二衬衬砌支护时机下支护结构的受力变形。不同支护时机下，引水隧洞变形在5年时间左右基本可以收敛，引水隧洞变形在10年时间左右完全收敛。二次衬砌支护时机在最大相对位移的占比越大，二次衬砌支护后引水隧洞收敛变形愈小。二次衬砌支护前适度能有效限制二次衬砌所导致的变形。基于先让后扛原则，当二次衬砌支护时机为80%Δabmax时，其支护效果最优。文章只对软岩流变参数中的一种进行分析，实际上不同区域的流变参数也有区别，后续可将模型分区设置流变参数进行数值模拟。