基于FLAC3D隧道超前孔卸壓影響范圍研究

2020-03-06 09:30:18徐應(yīng)中，文俊，李超，陳秉政

四川水力發(fā)電 2020年1期

關(guān)鍵詞：圍巖模型

徐應(yīng) 中，文俊，李超，陳秉政

(1.中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072；2、成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 610059)

1 概述

西藏某隧道全長24.794 km。全隧道共布置兩臺雙護盾TBM，一臺從隧道中部向上游方向掘進，掘進長度約11 km，另一臺從隧道出口向隧道上游方向掘進，掘進長度約13 km。該隧洞施工主要采用雙護盾TBM獨頭逆坡掘進，開挖洞徑為9.13 m，襯砌采用“6+1”型四邊形預(yù)制混凝土管片，管片厚35 cm，襯砌后的隧洞直徑為8.1 m，隧洞為雙車道隧洞，隧洞建筑限界凈寬7 m，凈高4.5 m。

該隧道進口高程為3 547 m，出口高程為3 566 m，最大埋深約832 m。隧道圍巖主要為混合片麻巖、花崗片麻巖(表1)，平均抗壓強度為75～90 MPa，石英含量為15%～30%，耐磨性指標為4～5.5。

隧道區(qū)域新構(gòu)造運動強烈，受構(gòu)造擠壓作用，構(gòu)造地應(yīng)力量級高，最大主應(yīng)力實測值為27.2 MPa。

由于高原地區(qū)的巖層地應(yīng)力過大，將會給雙護盾TBM開挖造成過大的擠壓力，因此，我們采用超前鉆孔的方式獲得圍巖應(yīng)力超前預(yù)釋放的效果[1]。超前鉆孔[2]是指在工作面前方一定距離巖體內(nèi)保持有足夠數(shù)量的大直徑鉆孔，用以對前方圍巖應(yīng)力進行釋放。在工作面前方通常有卸壓帶、集中應(yīng)力帶和正常壓力帶[3]。對于西藏某輸水隧道來說，開挖超前孔的目的是為了利用鉆孔卸壓的方式減少TBM盾構(gòu)機開挖的圍巖應(yīng)力。

表1 巖石(體)物理力學指標建議值表

因此需要研究開挖超前孔卸壓的范圍[4]，即應(yīng)力減小的范圍。同時，數(shù)值模型采用圓柱體，本構(gòu)模型采用蠕變模型(BURGERS黏彈塑性模型)，其材料參數(shù)見表1。對數(shù)值模型施加的環(huán)向地應(yīng)力為27.2 MPa。

2 超前孔影響范圍的數(shù)值模擬

2.1 超前孔數(shù)值模型

為了研究開挖超前孔卸壓的范圍，我們建立了開挖半徑為35 mm、外環(huán)圓半徑為開挖半徑10倍的數(shù)值模型，以便于監(jiān)測點的設(shè)置，整個模型直徑為0.77 m，以此建立蠕變模型用以計算超前孔卸壓影響的范圍。

2.2 超前孔四周應(yīng)力的對比

由于需要研究多個時間以及多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，為了減少監(jiān)測點的個數(shù)，筆者對超前孔數(shù)值模型進行了四周應(yīng)力的對比(圖1)，然后選擇出一個應(yīng)力較大的方向?qū)Τ翱仔秹悍秶M行研究。

圖1 超前孔四周應(yīng)力對比圖

由圖1可以看出：所開挖的超前孔的四周應(yīng)力基本一致。因此，筆者選擇正Z軸方向的應(yīng)力進行開挖超前孔卸壓范圍的研究。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及表1，可以確立FLAC3D中蠕變模型的參數(shù)：Kelvin彈性剪切模量為7.7×1012、Kelvin動力黏度為5.5×1011、Maxwell動力粘度為3.85×1012、Maxwell彈性剪切模量為8.5×109。在進行超前孔數(shù)值模型計算求解之前，雖然已經(jīng)確定超前孔模型的重要參數(shù)[2]，但還需要確定該超前孔模型的時間步長(step)與時間步(dt)兩個參數(shù)，因此，還要對時間步長(step)與時間步(dt)這兩個參數(shù)進行確立。

2.3 超前孔時間步長step的選取以及時間步dt的選取

關(guān)于如何選取時間步長step的問題[4]，應(yīng)通過試驗結(jié)果進行選取。先選取真實的時間為0.75 d。一系列的真實時間組由于采用六套時間步長進行運算，必然會使結(jié)果變成兩組，因此需對這些真實時間組采用同一個時間步進行運算。最終選取了0.75 d作為試驗組，并對該試驗組分三組進行試驗：時間步長(step)選取了10 000、50 000步和100 000步，其中時間步(dt)為：

(1)

對該試驗組進行模擬分析得知：對于該數(shù)值模型，所計算的真實時間為18 h，從計算模型應(yīng)力的結(jié)果可以看出：三個組中對應(yīng)的時間步長10 000的圍巖應(yīng)力不能達到平衡，一直呈波動的態(tài)勢，而時間步長50 000以及時間步長100 000計算得到的圍巖應(yīng)力都能達到平衡。但隨后研究的時間為3 d，甚至5 d，時間較長，因此，可以取step為100 000步，dt由式(1)確定，以此作為超前孔與未開挖超前孔應(yīng)力對比試驗的計算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將超前孔與未開挖超前孔的應(yīng)力進行對比，以此進行超前孔卸壓范圍的研究；因開挖半徑為35 mm，為方便數(shù)值模擬與監(jiān)測，對于監(jiān)測點將會采用開挖半徑的倍數(shù)，如35 mm、70 mm、105 mm、140 mm、175 mm、210 mm、245 mm、280 mm、315 mm、350 mm與385 mm。

由圖1可知，四周應(yīng)力基本一致。因此，開挖和未開挖的監(jiān)測點采用沿正Z軸的方向，按上述開挖的倍數(shù)布置，以此對比出超前孔卸壓的范圍。以下為根據(jù)2組不同的時間：3 d、5 d，由現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到的四個參數(shù)，以及上述確認的時間步長(step)和由公式(1)所得到的時間步(dt)計算得出的結(jié)果見圖2～7。