裂隙破碎帶水工隧洞支護(hù)參數(shù)優(yōu)化模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)分析

湯小飛，宋焰龍

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321； 2.江蘇省灌溉動力管理一處，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

水工隧洞是水工建筑中較為復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)物，也是整個引水工程中最為重要的一部分。在水工隧洞的建設(shè)過程中，隧洞難免會穿越一些不利地質(zhì)條件區(qū)域，嚴(yán)重影響局部區(qū)域內(nèi)隧洞施工安全及使用安全。當(dāng)遇到這種問題時，由于地質(zhì)條件的差異性與多樣性，現(xiàn)行的規(guī)范并不能完全解決，隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍缺少足夠的理論指導(dǎo)。目前，在水工隧洞建設(shè)中，對于復(fù)雜條件下隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)采用數(shù)值分析與各圍巖等級下的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，綜合設(shè)計(jì)隧洞支護(hù)。對于穿越裂隙破碎帶的水工隧洞，其結(jié)構(gòu)支護(hù)、結(jié)構(gòu)要求更高。但不能為了保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全而盲目使用材料來增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要滿足強(qiáng)度要求同時也要盡可能節(jié)約材料用量，因此對支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化工作必不可少[1-5]。

本文依托實(shí)際工程，就裂隙破碎帶的水工隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過FLAC3D5.00軟件，對裂隙破碎帶的水工隧洞進(jìn)行建模仿真分析，并結(jié)合原位試驗(yàn)與可靠度理論方法，綜合調(diào)整水工隧洞結(jié)構(gòu)的參數(shù)，對隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，使水工隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性要求。

1 工程概況

水工隧洞位于武夷山脈西側(cè)，全長2.89 km，跨徑10.25 m，高7.0 m，隧洞埋深處主要為中風(fēng)化花崗片麻巖，巖芯較破碎，局部區(qū)域破碎，采芯率73%～92%，強(qiáng)度45～60 MPa，ROD值為40～82。隧洞沿線主要穿過3個斷裂帶，對隧洞的影響寬度均為30 m左右，斷裂帶巖體破碎，裂隙發(fā)育，為V級圍巖。隧洞上部地表溝壑縱橫，存在多處地表徑流，最高徑流量超過1 600 m3/h。地下水廣泛分布在隧洞建設(shè)區(qū)域內(nèi)，包括孔隙水與裂隙水，隧道埋深范圍內(nèi)地下水含量豐富。水工隧洞開挖至裂隙破碎帶時，掌子面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2 建模分析

2.1 模型建立

采用FLAC3D5.0軟件對水工隧洞建模，模型核心區(qū)域?yàn)樗矶醇八矶粗苓厙鷰r。為了模擬隧洞穿越裂隙破碎帶，在隧洞模型縱向設(shè)置一段全截面、縱長為2 m的裂隙破碎區(qū)。另外，根據(jù)現(xiàn)場隧洞施工采用的臺階開挖法，隧洞模型內(nèi)部分為上下兩層，層間邊界與隧洞埋深位置處土層交界面保持一致。對于本次模擬過程中主要的支護(hù)部分，分別采用殼單元模擬隧洞支護(hù)噴射混凝土、梁單元模擬隧洞支護(hù)鋼拱架、錨桿單元模擬隧洞支護(hù)錨桿。隧洞模型效果圖見圖1。

圖1 隧洞及周邊模型效果圖

在建立好隧洞及其周圍模型后，按照隧洞開挖影響范圍理論，模型水平向邊界設(shè)定在隧洞斷面最大寬度的5倍以上距離處，故兩側(cè)向外延伸距離設(shè)定為60 m。隧洞上方土體高度取現(xiàn)場實(shí)際隧洞埋深，即隧洞頂端到上邊界的距離為45 m，隧洞底板距下邊界50 m。建模截面圖見圖2。

圖2 建模截面圖

2.2 模型參數(shù)選擇

為了對隧洞開挖后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬研究，首先對裂隙破碎段處參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，由規(guī)范中對V級圍巖的參數(shù)范圍(表1)，對裂隙破碎帶巖土體參數(shù)取值見表2。之后對3種主要支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選取，結(jié)果見表3。

表1 V級圍巖參數(shù)范圍

表2 本次建模巖土體參數(shù)選擇

表3 3種主要支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)值

2.3 隧洞錨桿參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化分析

隧洞錨桿參數(shù)的數(shù)值模擬優(yōu)化分析主要通過調(diào)整錨桿布設(shè)的長度和隧洞截面錨桿間距進(jìn)行，根據(jù)材料的自身強(qiáng)度與支護(hù)結(jié)構(gòu)要求的強(qiáng)度值找出錨桿的最佳布設(shè)方式。

在錨桿長度方面，選取的錨桿長度在3～5 m范圍內(nèi)，每增加0.25 m進(jìn)行一次模擬，得出在不同錨桿長度條件下的圍巖壓力變化圖與塑性區(qū)變化圖，見圖3。

在錨桿截面間距方面，取等長錨桿，間距范圍0.6～1 m布設(shè)，組距取0.1 m分別進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果見圖4。

圖3 隧洞錨桿長度對隧洞支護(hù)作用影響曲線圖

圖4 隧洞錨桿截面間距對支護(hù)作用影響曲線圖

根據(jù)模擬的結(jié)果可知，錨桿長度越長，圍巖壓力越小、塑性區(qū)范圍越小；錨桿的截面間距越小，圍巖壓力越小、塑性區(qū)范圍越小。其中，錨桿長度對隧洞支護(hù)影響程度接近正比例關(guān)系。在圖3(b)中可以看出，錨桿長度超過4.25 m時曲線斜率越來越小，說明此時錨桿長度的增加對塑性區(qū)范圍的改變量降低，加固效果并沒有顯著增強(qiáng)，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力趨于穩(wěn)定，滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，故錨桿長度取值宜取4.25 m左右。錨桿截面間距越小，隧洞支護(hù)效果越好。但在圖4(b)中可以看出，隨著間距的增加，塑性區(qū)范圍增加量大致呈4種增長趨勢且越來越大，這就表明在0.7～0.9 m間距范圍內(nèi)，減小錨桿布設(shè)間距對塑性區(qū)范圍的改變量已經(jīng)不太明顯，故錨桿的截面間距宜取0.7～0.9 m內(nèi)的值。

2.4 隧洞鋼拱架參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化分析

隧洞鋼拱架參數(shù)的數(shù)值模擬優(yōu)化分析主要通過調(diào)整拱架的縱向間距進(jìn)行，根據(jù)鋼拱架材料的自身強(qiáng)度與支護(hù)結(jié)構(gòu)要求的強(qiáng)度值找出鋼拱架的最佳布設(shè)方式。現(xiàn)取鋼拱架縱向間距0.5～1.2 m范圍，組距0.1 m，分別進(jìn)行模擬分析。得出的結(jié)果繪制成曲線，見圖5。

根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著鋼拱架間距的降低，拱架的支護(hù)效果增強(qiáng)。但從圖5(a)和圖5(b)中可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間距小于0.9 m后圍巖壓力與塑性區(qū)范圍均趨于穩(wěn)定，鋼拱架受到的軸力與彎矩也在此時有明顯的變化，故鋼拱架的縱向間距宜取0.9 m左右。

圖5 鋼拱架間距對隧洞支護(hù)效果影響圖

2.5 隧洞噴射混凝土參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化分析

對于隧洞支護(hù)作用產(chǎn)生影響的因素還包括噴射混凝土的厚度。為了探究這一參數(shù)度支護(hù)效果的影響，在其他條件相同時，分別模擬混凝土厚度為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45和0.5 m時對隧洞的支護(hù)效果，模擬的結(jié)果繪制成曲線，見圖6。

圖6 噴射混凝土厚度對隧洞支護(hù)作用影響圖

根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，圍巖壓力逐漸減小，塑性區(qū)范圍逐漸降低。當(dāng)混凝土厚度超過0.40 m時，圍巖應(yīng)力減小趨勢以及塑性區(qū)范圍減小趨勢均開始變緩，說明此時混凝土的厚度增加對支護(hù)效果影響已經(jīng)明顯降低，故噴射混凝土的厚度宜取0.40 m左右。

3 原位試驗(yàn)分析

通過前面數(shù)值模擬分析，已經(jīng)初步得出對隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化值。為了進(jìn)一步研究得出結(jié)果在實(shí)際工程中的效果，進(jìn)行原位試驗(yàn)，分析所得結(jié)果，與數(shù)值模擬結(jié)果對比。

3.1 原位試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次原位試驗(yàn)主要分為兩個試驗(yàn)段，試驗(yàn)段區(qū)域縱向長度為20 m，每個試驗(yàn)段的支護(hù)形式均為圖7所示的結(jié)構(gòu)形式，區(qū)別在于支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿、鋼拱架以及噴射混凝土的參數(shù)選取不同。

第一試驗(yàn)段采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸及布設(shè)按斷層破碎帶隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)取參數(shù)：鋼拱架縱向間隔0.6 m，噴射混凝土厚度為0.5 m，錨桿長度為7.0 m，錨桿的縱向間隔距離為1.0 m，截面間隔距離為0.4 m。第二試驗(yàn)段采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸及布設(shè)按以上闡述的數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行取值：鋼拱架縱向間隔0.8 m，噴射混凝土厚度取0.40 m，錨桿長度取4.25 m，截面環(huán)向間距取0.70 m。

圖7 試驗(yàn)段支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面構(gòu)造示意圖

3.2 原位試驗(yàn)結(jié)果分析

對上述兩個試驗(yàn)段的結(jié)果進(jìn)行對比分析，由于第一試驗(yàn)段采用的方法較為保守且各部分支護(hù)結(jié)構(gòu)均在第二試驗(yàn)段的基礎(chǔ)上保持不變或有所增強(qiáng)，故在此僅對第二試驗(yàn)段的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

1) 對第二試驗(yàn)段內(nèi)鋼拱架監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鋼拱架受力圖見圖8。

2) 對第二試驗(yàn)段噴射混凝土監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9。

3) 對圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)顯示，隧洞斷面各處產(chǎn)生的位移見表4。

圖8 鋼拱架受力圖

圖9 噴射混凝土應(yīng)力圖

表4 隧洞斷面各點(diǎn)位移值

由表4數(shù)據(jù)可知，隧洞兩端的位移值較大，符合裂隙破碎帶處隧洞受力變形特征，實(shí)測隧洞內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂等不利現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬分析以及原位試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：①由裂隙破碎帶隧洞設(shè)計(jì)方法得到的隧洞支護(hù)參數(shù)值較為保守；②優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)主要包括噴射混凝土厚度(較未優(yōu)化區(qū)段減少0.1 m)、鋼拱架縱向間距(較未優(yōu)化區(qū)段增加0.2 m)、錨桿的長度(較未優(yōu)化區(qū)段減少3 m)、錨桿的環(huán)向間距(較未優(yōu)化區(qū)段增加0.3 m)；③優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際隧洞施工后，經(jīng)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)各部分支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于正常受力狀態(tài)，滿足隧洞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度穩(wěn)定性要求。