三台阶开挖输水隧洞台阶高度设计方案优化研究

王常波

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程背景

辽宁某长距离输水工程，朝阳市境内C1#主洞控制桩号C3+318～C2+000洞段为穿越河谷地段。该洞段范围内丘前缓坡和丘间河谷内表层为第四系更新统坡洪积层，下部基岩主要是太古到古生系变质岩，分布于整个隧洞区域。洞段所在区域活动断裂主要是老断裂带新活动，构造活动以北东向断裂活动为主，主要断裂带和工程距离较远，不会产生十分明显的影响。由于研究洞段位于低山丘陵区，地形起伏较小，同时隧洞的埋深较浅，因此岩体的稳定性较差，个别洞段片麻岩发育，稳定性较差，会对隧洞施工安全造成影响。结合工程实际情况，拟采用三台阶法研究洞段的开挖施工[1]。为了给施工设计提供必要的支持，此次研究利用数值模拟的方式，探讨不同台阶高度对隧洞整体安全性和稳定性的影响，并确定出最佳施工方案。

2 FLAC3D有限元计算模型

2.1 有限元模型的构建

此次研究选择FLAC3D进行背景工程研究洞段计算模型的构建[2]。根据隧洞线路设计和前期地质勘查资料，研究洞段的上覆层的最大深度为30 m，最小为5 m，开挖断面为城门洞型设计，其宽度为4.2 m，高度为4.8 m。上覆岩土体的厚度最高取60 m，最低取5 m；模型下方的岩体厚度取25 m，水平宽度取20 m，隧洞轴线方向取100 m。对模型采用六面体八节点实体单元进行网格划分[3]。整个计算模型划分为102 945个网格单元，116 854个节点。有限元模型示意图如图1所示。

在数值模拟计算过程中，考虑隧洞开挖和支护过程中导致地层变形和扰动，但是不考虑二次衬砌支护对围岩变形的影响，按照三台阶临时仰拱施工工法进行开挖模拟计算[4]。考虑模型划分和计算的便捷性，将隧洞开挖轮廓的边墙墙角简化为直角轮廓[5]。计算中首先对隧道开挖部分进行初期支护，然后再进行下一步开挖和支护，循环计算直至开挖完成[6]。研究中选择摩尔-库伦准则作为本构模型进行分析计算，采用位移边界条件[7]。其中，模型的底部采用全位移约束条件，模型的两侧采用竖向位移边界条件，模型的顶部为自由边界条件[8]。

2.2 计算方案

研究中结合相关工程经验和研究洞段的设计参数，建立如表1所示的5组不同的计算工况，利用构建的数值计算模型，对不同工况下的位移、应力和塑性区范围进行模拟计算，根据计算结果对不同工况进行评价。

表1 计算工况设计

3 计算结果与分析

3.1 水平位移计算结果与分析

在位移计算结果中提取出水平位移的最大值和最小值，并以工况1为参照，计算获取各工况的竖向位移控制效果，结果如表2所示。从表中的计算结果可以看出，研究洞段的水平位移和竖向位移类似，工况2、工况3和工况5相对于工况1在水平位移方面均没有控制效果。工况4在水平位移的控制效果最好，与工况1相比无论是水平位移的最大值还是最小值都有大幅度减小，减小幅度分别为22.84%和26.17%。

表2 水平位移计算结果

综上，五种不同方案在水平位移和竖向位移方面存在比较明显的差异性，这说明在三台阶开挖法下，台阶高度会对衬砌的位移量产生比较显著的影响。从具体的计算数据来看，工况4对水平位移和竖向位移的控制效果最佳，是位移控制层面的最佳设计方案。

3.2 应力计算结果与分析

在计算结果中提取出最大主应力和最小主应力值，并以工况1为参照，计算获取各工况的应力值控制效果，结果如表3所示。从表中的计算结果可以看出，工况1的最大主应力控制效果最佳，但是工况4和工况1的控制效果比较接近，其余各工况的控制效果较差；从最小主应力的控制效果来看，工况4的控制效果最佳，与工况1相比，最小主应力值减小了约14.54%，其余各工况均没有明显的控制效果。总体来看，工况4为应力控制层面的最佳方案。

表3 最大主应力和最小主应力计算结果

3.3 安全系数计算结果与分析

在计算结果中提取出最小安全系数并与工况1进行对比，具体结果如表4所示。由表4可以看出，与工况1相比，工况2和工况4的最小安全系数提升了1.56%和14.40%，且这三种工况的最小值均满足工程设计要求，工况3和工况5的最小安全系数与工况1相比分别下降5.06%和8.17%，且不满足工程设计要求。设计的5种工况相比，工况4的最小安全系数值较大，且具有较为明显的优势，为最佳设计方案。

表4 最小安全系数计算结果

4 结 论

此次研究以具体工程为背景，探讨了三台阶开挖法的台阶高度对衬砌结构安全稳定性的影响，获得的主要结论如下：

(1)台阶高度对隧洞衬砌的安全稳定性存在显著影响，是施工设计中必须要考虑的重要因素。

(2)工况4对衬砌结构位移和应力的控制效果最佳，最小安全系数最大，为最佳设计方案。

(3)根据计算结果，建议背景工程在工程设计中，采用上台阶、中台阶、下台阶高度分别为1.6 m、1.2 m和2.0 m的设计方案。