软岩大变形隧洞初支让压装置位置优选研究

刘月

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003）

1 工程背景

观音阁输水工程是辽宁省本溪市的重要水利基础设施项目，工程建成后可以极大提高城市的供水保障率。该工程采用封闭式的输水隧洞和管线供水，可以有效避免工程沿线各种水污染事件的影响，大幅提升供水水质[1]。在工程施工过程中，输水隧洞二标段S11+553 洞段围岩主要以千枚岩化炭质片岩为主，岩体强度明显偏低，同时裂隙和节理发育。在进一步施工开挖过程中出现了围岩大变形，拱顶沉降和水平收敛最大值分别达到了505 和843 mm，初期支护结构也出现了不同程度的破坏。针对这一情况，工程项目部采用了高强度喷射混凝土、密集钢筋网及密集H175 型钢拱架支撑围岩，通过注浆和锚杆提高围岩的完整性，并取得良好的工程支护效果。但是，该支护体系钢拱架间距过小，影响到其它施工工序的正常施作，不仅造成工期延长，还大幅抬升了工程成本[2]。基于此，决定采用在钢拱架上增设让压装置的柔性支护措施。结合工程本身和钢拱架的实际特点，选择张传庆等人联合研发的新型恒阻让压装置[3]，其基本结构包括拉压转换板、让压杆、四周侧板及带锥孔的中空板。根据相关研究成果和工程经验，需要在钢拱架上设置4 个让压装置，其位置的设置对工程效果存在一定的影响[4]。因此，此次研究利用数值模拟的方式探讨让压装置的最佳设置位置，以便为工程设计提供支持。

2 有限元计算模型

2.1 模型的构建

此次研究选择构建模型的Midas GTS NX 是一款三维有限元分析软件，具有丰富的本构模型和单元库，在隧道和边坡工程研究计算领域具有一定的优势。

地下工程开挖施工会造成围岩应力场分布的影响，其影响范围一般为距离隧道中线3～5 倍洞径[5]。因此，在研究过程中可以按照上述理论进行模型计算范围的选择。结合背景工程的开挖断面尺寸，确定模型尺寸为60 m×45 m×50 m。模型以隧道的施工开挖方向为Y轴的负方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向，以垂直于Y轴指向右侧的方向为X轴正方向。对构建的几何模型利用六面体八节点单元进行网格剖分，对隧洞周围岩体进行加密处理，最终获得11 957 个网格单元、10 964 个节点。

2.2 边界条件与计算参数

根据研究的实际需要和模型计算要求，模拟计算中采用位移边界条件[6]。其中，对模型的底面施加竖向位移约束，对模型的四周施加法向位移约束，模型的上表面为自由边界条件，不施加位移约束[7]。模拟研究中将输水隧洞围岩的岩土体视为各向同性的弹塑性材料，符合摩尔-库伦强度准则，支护结构均假设为弹性材料[8]。结合相关施工规范和现场采样试验结果，获得模型材料的物理力学参数，见表1。

表1 模型材料物理力学参数

2.3 计算方案

在柔性支护方案中，在钢拱架上设置让压装置可以获得良好的支护优化效果，而对其位置进行合理设置和优选有助于让压装置充分发挥其让位性能。此次研究中设置了4 种不同的让压装置位置方案：方案1，4 个让压装置分别设置在拱顶、拱底和左、右拱腰；方案2，4 个让压装置分别设置在左、右拱肩和左、右拱腰；方案3，4 个让压装置分别设置在左、右拱肩和左、右拱脚；方案4，4 个让压装置分别设置在左、右拱脚和左、右拱腰。研究中利用构建的有限元模型对不同方案的塑性区、位移和应力特征进行计算分析，以获得最佳的让压装置位置设置方案。

3 计算结果与分析

3.1 围岩塑性区

利用构建的有限元模型对不同方案下围岩的塑性区分布特征进行模拟计算，从计算结果中提取出塑性区占比和塑性区厚度，结果见表2。从表2 中可以看出，不同计算方案的塑性区占比和厚度存在明显的差异性，说明在让压装置设置数量不变的情况下，其设置位置对围岩塑性区的分布特征存在比较显著的影响，因此，方案3 在控制围岩塑性区方面相对于其余方案有明显的优势，为最佳方案。

3.2 围岩变形

利用构建的有限元模型对不同方案下围岩的位移变形进行模拟计算，从计算结果中提取出围岩竖向位移、水平位移及总位移的最大值，结果见表3。从表3 中可以看出，在4 种不同的计算方案中，仅有方案4 的位移量相对较大，其余方案的计算结果比较接近，差距极为有限。由此可见，在让压装置的工作阻力让位行程等基本参数不变的情况下，仅对让压装置的布置位置进行调整，并不会对围岩的位移变形造成较为显著的影响。方案4相对偏大的原因可能是开挖施工过程中围岩应力和变形主要集中于隧洞的上部，而该方案并没有在该部位设置让压装置。总体来看，让压装置位置的设置对输水隧洞围岩的变形影响相对较小，不是围岩变形的主要影响因素。

表3 围岩位移最大值

3.3 钢架应力

利用构建的有限元模型对不同方案下钢拱架的应力进行模拟计算。考虑输水隧洞围岩的对称性，仅从计算结果中提取拱顶、左拱肩、左拱腰、左拱脚及拱底关键部位的钢拱架内侧和外侧应力，结果见表4。从表4 中可以看出，让压装置的设置对钢架内侧和外侧应力的影响效果存在显著的差别，且存在比较显著的负相关关系，设置让压装置可以使内侧应力增大而外侧应力减小。因此，应将让压装置设置于外侧应力较大的位置，而设在内侧应力较大部位则会造成钢架应力分布更为离散，不利于钢架的受力均匀。由此可见，方案3的设置方案与其余3种方案相比具有一定的优势。

表4 钢拱架应力计算结果 MPa

3.4 安全系数

利用构建的有限元模型对不同方案下隧洞衬砌结构安全系数模拟计算，并从计算结果中提取5个关键部位的安全系数，结果见表5。从表5 中可以看出，衬砌结构各关键部位的安全系数均大于1且有一定的冗余度，说明各方案条件下的衬砌结构处于安全稳定状态。从不同计算方案的结果对比来看，方案3 的安全系数值相对较大，且具有比较明显的优势，为最佳方案。

表5 安全系数计算结果

4 结语

对于深埋软岩输水隧洞开挖施工而言，采取柔性支护措施具有重要的工程意义和价值。当然，要充分发挥让压装置的功能，还需要对其设置位置进行优化。此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方式探讨了让压装置设置位置的优化问题。结果显示，对让压装置的位置进行调整会对围岩塑性区、钢拱架受力及衬砌结构安全系数产生明显影响。从不同方案的计算结果来看，在左、右拱肩和左、右拱腰设置让压装置的方案工程效果最佳，为推荐设计方案。当然，柔性支护是一个整体系统，在今后的研究中还应该针对系统的其他影响因素进行研究分析，以获得更为全面和科学的结论。