輸水隧洞施工的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

趙玉龍

（甘肅省酒泉市瓜州縣榆林河灌區(qū)水利服務(wù)所，甘肅 酒泉 736115）

1 引言

國(guó)家“十二五規(guī)劃”中，僅引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞部分長(zhǎng)度達(dá)到98.30 km。國(guó)家已建成的各類輸水隧洞長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)10 000 km。投入的人力、物力相當(dāng)之大，一旦發(fā)生事故，后果十分嚴(yán)重。隨著模擬仿真軟件以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟發(fā)展，目前研究學(xué)者多采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧洞開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力及變形情況進(jìn)行研究分析。馬國(guó)文采用FLAC 3D軟件對(duì)新疆某輸水隧洞工程支護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際工程以及數(shù)值模擬，得出噴射混凝土層、錨桿支護(hù)長(zhǎng)度和間距等支護(hù)最優(yōu)參數(shù)。張虎元等運(yùn)用FLAC 3D仿真計(jì)算軟件模擬隧洞開(kāi)挖在無(wú)支護(hù)、噴錨支護(hù)條件下，圍巖的應(yīng)力變化和圍巖塑性變形的情況。結(jié)果表明，噴錨支護(hù)可以提高圍巖自承能力；無(wú)支護(hù)條件下，圍巖產(chǎn)生較大的變形，且隧洞拱頂變形量最大。張雷以某水庫(kù)輸水隧洞為例，通過(guò)FLAC 3D 構(gòu)建模型分析不同錨索長(zhǎng)度對(duì)輸水隧洞支護(hù)的影響，得出最優(yōu)錨索支護(hù)方案。即在隧洞兩側(cè)設(shè)置5 m 長(zhǎng)錨索，拱頂部分采用長(zhǎng)8 m 錨索。張大年利用ABAQUS有限元軟件，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移兩方面分析輸水隧洞超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)效果，表明小導(dǎo)管在加固過(guò)程中具有積極的作用。趙大洲等采用FLAC 3D模擬某引水工程輸水隧洞的開(kāi)挖過(guò)程。分析Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，隧洞初期支護(hù)圍巖變形情況以及圍巖與襯砌作用關(guān)系，為該段輸水隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。莊海龍利用有限元軟件模擬隧洞開(kāi)挖過(guò)程，以摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力，對(duì)圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析。同時(shí)利用Midas-GTS 軟件模擬開(kāi)挖初期支護(hù)對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)效果，結(jié)果表明，隧洞開(kāi)挖后隧洞穩(wěn)定性降低，通過(guò)合理的初期支護(hù)可以減小隧洞拱頂圍巖位移，提高圍巖穩(wěn)定性。

以往研究對(duì)支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方面較少，且較單一的研究支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性方面的影響。文中結(jié)合安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面，采用正交試驗(yàn)法確定優(yōu)化指標(biāo)，為實(shí)際工程提出既安全同時(shí)又經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模擬及參數(shù)設(shè)計(jì)

以某引水工程項(xiàng)目典型輸水隧洞斷面為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件對(duì)隧洞進(jìn)行仿真模擬。該輸水隧洞橫斷面形式呈“拱門型”，隧洞尺寸及支護(hù)方法如圖1所示。該隧洞位于砂巖層，隧洞埋深60 m，圍巖類別為Ⅴ級(jí)。

圖1 隧洞斷面尺寸及支護(hù)方式圖（標(biāo)注單位：cm）

為了在保證計(jì)算精度的前提下兼顧計(jì)算效率，對(duì)隧洞周圍進(jìn)行網(wǎng)格局部加密進(jìn)行整體的網(wǎng)格劃分，共劃分出165 520個(gè)10 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力單元。圖2 為輸水隧洞的有限元網(wǎng)格模型和應(yīng)力節(jié)點(diǎn)模型。模型參數(shù)的輸入主要參考該地的地質(zhì)勘查報(bào)告。模型具體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

表1 材料參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)方案

該輸水隧洞原設(shè)計(jì)方案為開(kāi)挖進(jìn)尺1.50 m、鋼拱架間距0.60 m、初襯厚度12 cm。為進(jìn)一步優(yōu)化輸水隧洞施工建設(shè)中的支護(hù)參數(shù)，得出最經(jīng)濟(jì)安全的施工方案，文章基于正交試驗(yàn)法，將開(kāi)挖進(jìn)尺、鋼拱架間距、初襯厚度三個(gè)因素分別增加兩個(gè)水平，確定正交試驗(yàn)為3 因素3 水平，見(jiàn)表2。試驗(yàn)方案如表3所示，共9種試驗(yàn)工況。

表2 水平表

表3 試驗(yàn)工況

對(duì)上述9個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算不同工況下對(duì)隧洞頂部下沉位移及初襯拱頂應(yīng)力的影響。采用極差法分析頂部位移及初襯拱頂應(yīng)力的因素。

3 試驗(yàn)分析

3.1 輸水隧洞安全性影響因素分析

以初襯拱頂應(yīng)力為例，模擬不同工況對(duì)隧洞洞室初襯拱頂應(yīng)力的影響、不同影響因素下隧洞洞室初襯拱頂應(yīng)力參數(shù)，采用極差法分析得，隧洞洞室初襯拱頂應(yīng)力的影響因素主次順序?yàn)椋轰摴凹荛g距、初襯厚度、開(kāi)挖進(jìn)尺。主要原因是，隧洞開(kāi)挖后，洞室周圍的圍巖產(chǎn)生的壓力主要由鋼拱架承受。初襯拱頂應(yīng)力隨著初襯厚度的增加而增加，初襯拱頂應(yīng)力隨著鋼拱架間距的增大而增加。觀察不同開(kāi)挖進(jìn)尺下初襯拱頂應(yīng)力值變化，可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧洞洞室初襯應(yīng)力影響規(guī)律不明顯。

同理，通過(guò)極差法分析隧洞拱頂下層位移影響因素的主次順序。由試驗(yàn)結(jié)果可知，開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧洞拱頂下層位移影響最大，鋼拱架間距對(duì)隧洞拱頂下層位移影響次之，初襯厚度對(duì)其影響最小。原因在于隨著開(kāi)挖尺寸的增大，會(huì)造成地層的突然松弛，對(duì)拱頂造成較大擾動(dòng)，從而出現(xiàn)較大且持續(xù)的變形，影響著開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。

3.2 輸水隧洞經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

在輸水隧洞建設(shè)中，對(duì)于支護(hù)方式的選擇，除了要確保結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定外，還需充分考慮施工經(jīng)濟(jì)性，最大程度地節(jié)約成本。結(jié)合上述9個(gè)試驗(yàn)工況，對(duì)每延米所需施工成本進(jìn)行計(jì)算，分析影響輸水隧洞施工成本的因素主次順序。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)出各施工材料單價(jià)，分別計(jì)算出9種試驗(yàn)工況下每延米總成本，見(jiàn)表4。

由表4 可知，9 種施工工況下，每延米施工成本均不相同。鋼拱架成本及開(kāi)挖成本占隧洞開(kāi)挖總成本最大。例如工況2中，開(kāi)挖成本占據(jù)隧洞開(kāi)挖總成本的58%，工況3中，鋼拱架成本占總成本49.60%。故在確定隧洞開(kāi)挖支護(hù)最優(yōu)參數(shù)時(shí)，主要選擇鋼拱架、開(kāi)挖成本占總成本比例小的施工方法案。

以不同工況下開(kāi)挖成本為例，利用極差法研究分析初襯厚度、鋼拱架間距、開(kāi)挖進(jìn)尺因素對(duì)開(kāi)挖成本占比的影響主次順序，計(jì)算結(jié)果表明開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧洞開(kāi)挖成本占比影響最大，初襯厚度次之，鋼拱架間距對(duì)其影響最小。同理，利用方差法分析初襯厚度、鋼拱架間距、開(kāi)挖進(jìn)尺因素對(duì)鋼拱架成本占比的影響主次順序。最后得出與對(duì)開(kāi)挖成本占比影響因素主次順序相一致的結(jié)論，即開(kāi)挖進(jìn)尺、初襯厚度、鋼拱架間距。

基于初襯厚度、鋼拱架間距、開(kāi)挖進(jìn)尺因素對(duì)輸水隧洞支護(hù)安全性、經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合性影響，提出輸水隧洞支護(hù)最優(yōu)方案。工況9為最優(yōu)支護(hù)方案，即最優(yōu)支護(hù)參數(shù)初襯厚度為16 cm、鋼拱架間距為1.00 m、開(kāi)挖進(jìn)尺為1.50 m。該工況下，輸水隧洞洞室拱頂下沉位移、初襯拱頂應(yīng)力較小，且施工成本低。

4 結(jié)論

基于輸水隧洞安全性和經(jīng)濟(jì)性影響因素分析，得出以下結(jié)論：①初襯拱頂應(yīng)力因素影響程度為鋼拱架間距、初襯厚度、開(kāi)挖進(jìn)尺；拱頂下層位移因素影響程度為開(kāi)挖進(jìn)尺、鋼拱架間距、初襯厚度；輸水隧洞開(kāi)挖成本影響程度為開(kāi)挖進(jìn)尺、初襯厚度、鋼拱架間距。②優(yōu)化后輸水隧洞施工支護(hù)參數(shù)為：初襯厚度16 cm、鋼拱架間距0.60 m、開(kāi)挖進(jìn)尺1.50 m。最優(yōu)方案中輸水隧洞洞室拱頂下沉位移、初襯拱頂應(yīng)力較小，且施工成本低。