引水隧洞進口管棚超前支護參數優化研究

夏治濤

(新疆伊犁河流域開發建設管理局 新疆 伊犁 835000)

1 工程背景

某灌溉補償供水工程全程輸水線路長度4006m，隧洞進口排水匯集工程蓄引水池引水的蓋板暗涵采用鋼筋混凝土結構，長98.4m；隧洞3條，采用城門洞型斷面，鋼筋混凝土襯砌，總長3439.7m；穿溝倒虹2座，采用地埋管道形式，總長295.9m，管道型號為DN400PE管。灌溉供水采用從輸水管道末端接DN125PE管經加壓泵站加壓后接入原有灌溉管網，安裝水泵1臺套，埋設DN125PE管320m。

受到工程項目區地形和地質條件的限制，2號輸水隧洞在線路設計過程中雖然避開了山體中的DC02大型構造性斷層，但是隧洞的設計線路周邊的地質環境仍然欠佳，基本處于弱風化巖層中，洞身的圍巖類別以Ⅲ類為主，局部巖層中分布有數量不等強風化流紋巖，給開挖施工造成移動的技術困難[1]。特別是進口段200m以內的巖層類別為Ⅳ類，自穩性較差。因此在項目施工設計中擬采用管棚超前支護方案，保證施工的順利進行[2]。針對上述工程背景，此次研究利用數值模擬的方法，對管棚支護參數進行優化，為具體的施工設計提供有益的支持和借鑒。

2 FLAC3D有限元計算模型

2.1 模型的構建

FLAC軟件是一款大型通用有限元軟件，最早由美國的ITASCA公司開發，開發之之初推出的是的FLAC2D二維有限元軟件，之后對該軟件進行升級拓展，進一步推出了FLAC3D三維有限元軟件[3]。FLAC3D與FLAC2D相比，具有更為強大的模擬計算功能，可以對工程研究領域的絕大部分材料流動和塑性破壞問題進行模擬研究，具有廣泛的工程適用性。基于此，此次研究選擇FLAC3D軟件進行背景工程的計算模型構建[4]。結合FLAC3D軟件的特點，特別是前處理功能方面的弱點，研究中首先利用CAD軟件進行幾何模型的構建，然后利用ANSYS軟件進行網格單元劃分，在將構建的網格單元模型導入FLAC3D中[5]。

按照前期的工程設計，隧洞為城門洞型斷面設計，其進口段的高度為4.5m，寬度為3.0m。根據相關研究成果，隧洞開挖對圍巖的影響大約為洞徑的三至五倍。此次研究中將模型左右兩側模擬范圍設置為5倍洞徑。由于進口段上方的埋深較淺，因此直接計算至地表，模型的下方向下取3倍洞徑[6]。在幾何模型的構建過程中，將輸水隧洞進口段底板的中心設為坐標原點，以開挖方向為Y軸的正方向，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X軸正方向。在模型的網格剖分過程中，利用Solid45實體單元模擬輸水隧洞的圍巖和襯砌混凝土結構，利用Cable單元模擬錨桿，利用Beam單元模擬管棚結構[7]。對構建的幾何模型利用六面體八節點單元進行網格剖分，對計算結果影響較大的開挖區域和圍巖表層進行必要的加密處理，最終整個模型劃分為25194個網格單元，26473個計算節點。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 約束條件與計算參數

模型的約束條件是計算結果的重要影響因素，結合工程實際和研究需要，對模型的底部施加全位移約束條件，對模型的側面施加水平位移約束條件，模型的上部為自由邊界條件[8]。模型計算過程中利用自重應力場模擬初始應力場。關于模型參數，在研究中主要結合相關工程施工規范以及現場采樣試驗獲取，最終確定的模型計算參數如表1所示。模型的初始應力場按照自重應力場計算[9-11]。研究中結合前期的地質調查資料，并將鋼拱架的彈性模量等效換算到初支結構中，對管棚的彈性模量進行折減計算，最終確定如表1所示的計算參數。

表1 模型計算參數表

3 計算結果與分析

3.1 環向間距

在模擬計算過程中，保持管棚長度40m、管徑120mm兩個參數不變，對40cm、50cm、60cm、70cm和80cm等5種不同管棚環向間距下的圍巖豎向位移和水平位移以及地表的沉降位移進行計算，根據計算結果繪制出位移量隨管棚環向間距的變化曲線。由圖2可以看出，隨著環向間距的增大，拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量均呈現出不斷增大的變化特點，說明管棚的環向間距是位移變形的重要影響因素。從具體的變化特點來看，當管棚間距小于60cm時，地表沉降變形、拱頂沉降變形以及邊墻水平位移變形的位移量增長比較緩慢，而管棚間距>60cm時，變形量的增長速率明顯加大。以地表沉降變形為例，當管棚環向間距由40cm增加到60cm時，其地表沉降變形量由25.2mm增加到27.9mm，增加了約10.7%；當管棚環向間距由60cm增加到80cm時，其地表沉降變形量由27.9mm增加到42.8mm，增加了約53.4%；結合計算結果和工程的經濟性，管棚間距應該以60cm為最佳。

圖2 位移量隨環向間距變化曲線

3.2 管棚管徑

為了研究管棚管徑對圍巖穩定性的影響，研究中保持管棚環向間距60cm、管棚長度40m兩個參數不變，選擇90mm、120mm、150mm、180mm和210mm等5種不同的管棚管徑進行模擬計算，根據計算結果，繪制出如圖3所示的典型部位位移量隨管棚直徑的變化曲線。由圖可知，隨著管棚管徑的增大，拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量均呈現出不斷減小的變化趨勢，說明增加管棚的管徑對控制關鍵部位的位移變形具有明顯的作用。從具體的變化特征來看，當管棚的管徑<150mm時，各關鍵部位的位移量下降比較明顯，當管棚管徑>150mm時，各關鍵部位的位移量變化相對較小。仍以地表沉降變形為例，當管棚管徑由90cm增加到150cm時，其地表沉降變形量由32.8mm減小到23.1mm，減小了約29.6%；當管棚管徑由150cm增加到210cm時，其地表沉降變形量由23.1mm減小到19.7mm，減小了約14.7%；結合計算結果和工程的經濟性，管棚管徑以150cm為最佳。

圖3 位移量隨管棚管徑變化曲線

3.3 管棚長度

為了研究管棚管徑對圍巖穩定性的影響，研究中保持管棚環向間距60cm、管棚管徑150cm不變，選擇10m、20m、30m、40m和50mm等5種不同的管棚長度進行模擬計算，根據計算結果，繪制出如圖4所示的典型部位位移量隨管棚長度的變化曲線。由圖可知，隨著管棚長度的增大，拱頂沉降變形、地表沉降變形均呈現出不斷減小的變化趨勢。從具體的變化特征來看，當管棚的管徑<30m時，各關鍵部位的位移量下降比較明顯，當管棚管徑>30m時，各關鍵部位的位移量變化相對較小。以地表沉降變形為例，當管棚長度由10m增加到30m時，其地表沉降變形量由35.3mm減小到24.2mm，減小了約31.4%；當管棚管徑由30m增加到50m時，其地表沉降變形量由24.2mm減小到21.9mm，減小了約9.5%；整體來看。邊墻的水平位移量變化較小，說明管棚長度對邊墻位移變形的影響較小，對優化計算結果影響不大。結合計算結果和工程的經濟性，管棚長度以30m為最佳。

圖4 位移量隨管棚長度變化曲線

4 結 論

此次研究利用數值模擬的方法，對某灌溉補償供水工程引水隧洞進口管棚超前支護參數優化研究，獲得的研究結論如下：

1)拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量隨著管棚環向間距的增大而增大，且管棚間距>60cm時，變形量的增長速率明顯加大。

2)拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量隨著管棚管徑的增大而減小，且管棚管徑>150mm時的減小幅度較為有限。

3)拱頂沉降變形、地表沉降變形隨著管棚長度的增大而減小，且管棚長度>30m時的減小幅度較為有限。管棚長度對邊墻位移變形的影響較小。

4)結合研究成果和工程的經濟性，建議采用60cm的管棚間距、150mm的管棚管徑以及30m的管棚長度。