輸水隧洞旁通洞施工圍巖及一次支護有限元分析

呂昀龍

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某輸水隧洞主洞與旁通洞交叉段為38 m，交叉段后接長35 m檢修洞，隧洞主洞尺寸7.64 m×7.77 m(寬度×高度)，交叉段隧洞尺寸7.7 m×9.356 m(寬度×高度)，檢修洞尺寸10.3 m×13.95 m(寬度×高度)，旁通洞尺寸7.3 m×7.05 m(寬度×高度)。隧洞均為城門洞型，主旁通洞以45°角度、半徑30 m平順相交。檢修洞與旁通洞間距為13.25 m。主洞噴混厚度為120 mm，φ22隨機砂漿錨桿長度L=3 m。交叉段噴混厚度為150 mm，φ22砂漿錨桿長度L=4.5 m，間、排距1.5 m。檢修洞段噴混厚度為150 mm，φ22砂漿錨桿L=4.5 m，間、排距1.2 m。旁通洞噴混厚度為120 mm，φ22隨機砂漿錨桿長度L=3 m。現場開挖及支護順序為：主洞段-交叉段-檢修洞段-旁通洞段。隧洞處于泥盆系凝灰質砂巖及華力西黑云母花崗巖中，圍巖整體穩定性好，地質提供資料判定此處為Ⅱ類圍巖。

2 計算模型

考慮隧洞分步開挖及支護等過程，采用Midas GTS NX建立三維模型。為了模型與現場實際更接近，根據有限元模型建模范圍由相關文獻可知，約5倍隧洞洞徑以外的圍巖對于引水隧洞的影響基本可忽略不計[1-2]，因此本文計算圍巖區域選擇100 m×85 m范圍內建模計算。外圍巖體均為Ⅱ類圍巖，巖體采用摩爾-庫倫彈塑性模型，噴混采用彈性結構模型，實體網格采用混合網格型式。計算工況為主洞及旁通洞分步開挖、支護工程圍巖及支護應力及位移變化。初始狀態是指隧洞所在的地質區域未受到人工擾動之前就已客觀存在的狀態，包括自重應力場和構造應力場，其中以自重應力場為主。隧洞開挖后，一次支護及時施作。見圖1。

圖1 主洞、檢修洞及旁通洞空間位置示意圖

3 計算參數

見表1、表2。

表1 噴混材料參數

表2 圍巖力學參數

4 計算分析

根據現場實際開挖順序(主洞段-交叉段-檢修洞段-旁通洞段)模擬，施加重力作用后，對模型施加邊界條件，利用軟件對初始應力場位移清零。再利用GTS NX中激活與鈍化網格模擬現場開挖及施工一次支護過程。模擬的基本思路是：開挖部分的巖體鈍化，同時激活相應支護單元。根據分步開挖圍巖及一次支護共同作用時應力釋放，最終得到各施工工況應力及位移變化。見圖2-圖5。

圖2-圖5為隧洞分步開挖隧洞圍巖位移分布云圖。從圖2-圖5可知，隧洞交叉口處及檢修洞大斷面頂部圍巖豎向沉降較大，此處極易出現應力集中，建議此處鋼拱架應適當加密且施工期間應加強該處監測頻次。

交叉口處隧洞底板均有不同程度隆起，特別是施工交叉口處，隧洞底隆起較明顯。隧洞斷面變化處圍巖位移分步出現局部集中現象，建議施工大斷面掌子面時應將頂拱及側墻處錨桿加密且加長，加強該處監測頻次。

圖2 主洞段開挖工況位移圖

圖3 交叉段開挖工況位移圖

圖4 檢修洞段開挖工況位移圖

圖5 旁通洞段開挖工況位移圖

圖6-圖9為隧洞分步開挖隧洞一次支護應力云圖。

圖6 主洞段開挖工況應力云圖

圖7 交叉段開挖工況應力云圖

圖8 檢修洞段開挖工況應力云圖

圖9 旁通洞段開挖工況應力云圖

從圖6-圖9可知，隧洞交叉口處及檢修洞大斷面頂部一次支護應力較大，且此處大位移分布區域較大、分布線發生較大變化，這可能導致此區域巖石表層圈發生錯動，出現局部塌方現象。施工時應加強該處一次支護強度，建議此處加密鋼拱架設置，遠離交叉口主洞及旁通洞應力分布基本相同，底板處應力相對較大[3]。

5 結 論

1) 本工程開挖及支護方案可行，穩定后一次支護應力在局部出現應力集中，需加強現場監測。洞頂豎向最大變形量不超過9.65 mm。

2) 本工程擬定開挖先后順序合理，檢修洞和旁通洞洞凈間距為13.25 m，滿足設計要求。

3) 大斷面及隧洞交叉口處開挖支護是一個施工環節多、程序嚴謹的復雜過程，在施工中應科學選擇合理的施工順序，制定完善的支護方案。