引水隧洞穿越糜棱巖斷層破碎帶施工方法選擇研究

聶盛明

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 南昌 330096)

1 工程背景

某新建水電站的引水系統主要由進水口，引水隧洞的上平段、斜洞段以及下平段、高壓岔管以及壓力鋼管構成。隧洞沿線的山體比較雄厚，埋深在30～300m之間，基巖的巖石整體比較完整和穩定。但是，下平段樁號引Ⅱ0+487～引Ⅱ0+525m洞段為穿越D5斷層洞段巖體受到構造擠壓的作用，破碎比較嚴重，主要有糜棱狀碎塊夾碎屑和斷層泥構成。同時，該洞段的成洞半徑3.5m，開挖半徑為4.2m。由于開挖斷面大且巖體質量較差，給施工開挖造成較大的難度。在開挖施工工法方面，結合該洞段的實際情況和相關施工經驗[1]，提出了三臺階法、預留核心土環形開挖法、超前導洞擴挖法和新意法4種不同方法，研究中利用數值模擬的方法對上述4種方法進行比選，以獲取最佳施工方法。

2 計算模型的構建

2.1 計算模型

研究中以引水隧洞下平段穿越D5斷層洞段為對象建立數值計算模型。根據相關研究成果，地下洞室工程在開挖完畢后，在距離開挖斷面中心點5～7倍開挖直徑的范圍內存在圍巖應力應變的影響[2]。為了保證結果的準確性，研究中的計算模型邊界取10倍洞徑，模型的長度選擇為50m。最終確定模型的尺寸為80m×50m×80m[3]。計算模型以隧洞中線指向下游的方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向右側的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

該段隧洞的埋深約150m，因此在模型的頂面施加2.75MPa的均布荷載，以模擬上覆巖體的重力[4]。根據初始地應力的測試結果，在模型的前后和左右面分別施加23.15MPa和15.06MPa的均布荷載。對模型的底部施加全位移約束，模型的左右兩側施加X方向位移約束，模型的前后施加Y方向位移約束，模型的上部為自由邊界條件[5]。對模型進行六面體八節點實體單元劃分，最終獲得15668個計算單元，13449個計算節點，模型的示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 參數選取

為了簡化模型，提高模型的計算效率，對研究洞段的圍巖采用摩爾-庫侖本構模型，支護結構混凝土按線彈性本構模型處理[6]；初支結構和二次襯砌的厚度分別為27、45cm，均采用板單元模擬；鋼拱架采用的是間距1.0m的I20b型鋼，采用梁單元模擬；系統錨桿的參數為直徑22mm，長4.0m，采用植入式桁架單元定義；超前小導管的加固循環為6.0m，超前核心土加固注漿循環為18m。根據相關研究成果和工程經驗[7]，在預加固完成之后，圍巖的黏聚力、內摩擦角以及彈性模量可以分別提升90%、50%、95%左右。結合上述分析及工程資料，確定模型物理力學參數，見表1。

表1 模型物理力學參數

3 不同施工方法的計算結果與分析

3.1 位移變形

研究中利用上節構建的模型對4種不同施工方法條件下的研究洞段拱頂沉降變形和水平收斂變形進行模擬計算，結果見表2。由表2中的結果可知，面對穿越斷層段的高地應力軟巖隧洞，如果采用三臺階法、預留核心土法等傳統的新奧法施工，拱頂沉降變形和邊墻水平位移變形均較大，分別大于40、50mm。雖然預留核心土法對圍巖變形的控制要好于三臺階法，但是需要對施工掌子面以及圍巖進行多次干擾，因此對圍巖的應力維持和塑性區的控制極為不利[8]；與上述2種傳統新奧法相比，超前導洞擴挖施工在拱頂沉降控制方面具有明顯優勢，拱頂沉降量相比三臺階法和預留核心土法分別減小了53.14%和45.62%，但是邊墻水平位移變化并不明顯。究其原因，主要是正洞的擴挖會使圍巖受到進一步擾動，不利于水平變形控制。新意法施工可以通過圍巖預加固控制圍巖變形并提高開挖進度。因此，相對于三臺階法、預留核心土法和超前導洞擴挖其他方法，拱頂沉降變形分別減小65.97%、60.53%和27.42%；水平收斂變形分別減小77.16%、71.26%、73.63%。總之，從位移變形控制角度來看，新意法為最佳施工方法[8- 11]。

表2 不同施工方法位移變形計算成果 單位：mm

3.2 掌子面擠出變形

在高地應力軟巖隧洞開挖施工中，受到施工擾動和應力重新分布等因素的影響，施工掌子面往往會出現較大的擠出位移變形，并對施工安全造成不利影響。研究中利用構建的數值計算模型，對4種施工方法下的開挖掌子面擠出變形進行模擬計算，結果如圖2所示。結果顯示，三臺階法的掌子面擠出位移最大，為81.83mm，預留核心土法為44.56mm，超前導洞擴挖法為37.51mm，新意法最小，為8.24mm。新意法對于相對于前3種方法分別減小了89.93%、81.51%、78.03%。由此可見，新意法在控制掌子面擠出變形方面具有顯著的優勢。

圖2 不同工法掌子面擠出變形計算結果(單位：mm)

3.3 圍巖應力分析

利用構建的模型，對4種不同開挖施工方法下的隧洞圍巖應力進行模擬計算，根據計算結果，整理獲取拱頂、邊墻和拱腳部位的水平和豎向應力，見表3。由表3中的計算結果可知，采用三臺階法情況下，水平應力和豎向應力的值最大，且在隧洞的拱腳部位存在高應力區；預留核心土法與三臺階開挖法比較相似，各部位的應力值比較接近，僅邊墻部位的豎向應力值有較為明顯的減小。究其原因，主要是施工過程中將施工掌子面劃分為多個不同的施工斷面，因此對水平應力的控制效果并不明顯。超前導洞開挖法的開挖過程中，圍巖應力經過超前導洞施工得到一定的釋放，因此應力水平較三臺階法與預留核心土法有顯著降低，總體下降了約40%左右。新意法由于經過超前支護的加固，圍巖的應力最小。因此，從圍巖應力水平的角度來看，新意法為最佳施工開挖方法[12- 15]。

表3 圍巖應力計算結果 單位：MPa

3.4 初支應力分析

利用模型計算的方法對4種不同開挖施工方法下的初支應力進行計算，結果見表4。由表4中的結果可知，三臺階法與預留核心土法的初支應力計算結果比較接近，且應力值明顯偏大。超前導洞擴挖法由于在正洞擴挖過程中可以釋放一部分圍巖應力，因此應力值相比前2種施工方法有顯著降低。采用新意法施工過程中，基于超前小導管以及玻璃纖維錨桿加固等結構的超前支護作用影響，圍巖與核心土的承載力得到明顯提升，同時全斷面的開挖方式還有助于圍巖原生結構的維持，進而限制圍巖內部塑性區的進一步發展，因此初支應力水平最低。因此，從初支應力視角來看，新意法為最佳施工方法。此外，4種施工方法下的初支應力模擬結果均較大，原因是模擬過程中將噴射混凝土與鋼拱架視為一個彈性體，而鋼拱架彈模與混凝土承壓塑性屈服的結合導致模擬結果偏大。

表4 初支應力計算結果 單位：MPa

4 結語

本次研究以某輸水隧洞D5洞段為例，利用數值模擬的方法對穿越糜棱巖破碎洞段的開挖施工方法進行優選研究。結果顯示，采用新意法的圍巖變形控制效果最好，圍巖應力和初支應力最小，有助于縮短工期，降低施工成本，具有一定的技術和經濟優勢，建議在輸水隧洞施工中采用。同時，本文的方法和結論對類似工程的施工設計也具有一定的借鑒價值。當然，本次研究也存在一定的不足。例如，本文選擇摩爾-庫侖本構模型進行數值模擬，沒有考慮軟巖的時空效應與流變特征，對結果的準確性存在一定的影響，需要在今后研究中進行完善。