泄洪洞進口軟巖洞段管棚超前支護參數優化研究

唐鐿瑄

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

清河水庫是一座兼有供水、防洪、灌溉等多種綜合功能的大型水利工程，其壩址位于遼寧省鐵嶺市清河區境內的清河干流上[1]。清河水庫建成于20世紀50年代，集雨面積2376 km2，設計庫容9.71億m3。水庫的大壩為混凝土面板堆石壩，壩長1622.0 m，最大壩高39.6 m，壩頂寬6.0 m，水庫的泄洪設施由溢洪道和泄洪洞構成。其中，6孔溢洪道的最大下瀉流量為4210 m3/s，大壩左側設置有備用泄洪洞，其最大下瀉流量為300 m3/s[2]。在水庫運行期間，壩址以上流域曾經發生過多次特大洪水，給水庫造成了比較大的泄洪壓力。為了保證水庫的安全運行，經多方論證后，擬將清河發電廠節水升級改造之后廢棄的回水隧洞改造設計為第二泄洪洞。改建之后的泄洪洞全長1800 m，主要由進口段、洞身段和出口段三部分構成。其中，泄洪洞進口段為喇叭形，全長8.05 m，洞身段采用城門洞型斷面設計，斷面尺寸為5.0 m×5.5 m，出口處為明渠設計，長度為142.5 m，設計縱坡為3.13%。

改造工程需要對進口段進行重新開挖襯砌。由于該洞段埋藏較淺，且屬于構造侵蝕山地地貌，為中風化砂巖與粉質砂巖巖性，夾少量細砂巖，巖體為極軟到軟質巖類為主的層狀破碎結構，地質環境比較復雜。參照相關的工程設計，在開挖前先作超前預支護管棚[3]，保證管棚和巖土體之間填充密實，避免施工中的過度沉降是工程設計中的重要問題[4]。

2 MIDAS GTS有限元模型

2.1 模型的構建

MIDAS GTS是韓國 MIDAS IT 公司的一款大型通用有限元分析軟件。該軟件具有中文界面、建模快、專業分析及前后處理功能強大等諸多優勢，因此被廣泛應用于巖體和隧道工程的設計和分析領域[5]。本研究利用MIDAS GTS軟件進行三維有限元模型構建。

為了避免有限元數值模擬分析過程中無限域或半無限域問題造成計算過程中出現較大的誤差，因此需要選擇合適的計算區域[6]。相關研究成果表明，均勻彈性地層中的隧洞工程，其卸荷的位移和應力的影響99%以上集中于5倍洞徑以內，95%以上集中于3倍洞徑以內。因此，本次研究的計算范圍選擇4倍洞徑。模型的上方延伸至地表，下方在隧洞底部向下取40 m，沿著輸水隧洞的軸線方向取30 m。以隧道軸線指向下游方向為Y軸正方向，以垂直于Y軸指向右側的方向為X軸正方向。在模型計算過程中僅考慮自重應力，忽略構造應力。計算的邊界條件為地層的兩側取垂直約束，上部為自由邊界條件，底部為全位移約束[7]。模型圍巖采用 Mohr—Coulomb 準則，采用均質彈塑性模型，管棚采用彈性結構梁單元模擬，噴混結構采用結構板單元模擬。為了提高模擬計算的精度，對隧洞周圍部分進行網格加密處理，最終獲得10 230個網格單元，9897個計算節點。

2.2 計算參數與方法

根據地質勘測資料，隧洞圍巖的物理力學參數按照工程前期的地質勘查報告選取。根據相關研究成果，注漿加固后的軟弱巖土體可以將圍巖的等級提高一個級別，黏聚力則可以提高2～3倍[8]；對于注漿封口之后的管棚，則采取等效方法進行計算，各個支護結構及圍巖材料的物理力學參數如表1所示。

表1 支護結構及圍巖物理力學參數

數值模擬計算通過MIDAS GTS中施工階段對輸水隧洞結構的單元設置“鈍化”和“激活”兩種狀態來實現開挖過程，在開挖之前先進行管棚的施作，在加固巖土體之后進行初期支護的施作。

3 計算結果與分析

3.1 環向間距的計算結果與分析

為了研究環向間距對支護效果的影響，研究中保持管棚長度為20 m，管徑為100 mm，管棚的布置范圍和注漿范圍保持不變，設計30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和70 cm等5種不同的管棚間距，利用構建的數值模擬模型，對圍巖的位移進行模擬計算。從計算結果中提取拱頂、底板和拱腰的累積位移量，結果如表2所示。

由表2可以看出，隧洞不同部位的位移隨著管棚間距的減小而減小，說明減小間距對控制施工過程中的圍巖變形有利。具體來看，當間距從70 cm 減小到30 cm時，拱頂沉降量從50.53 mm減小到28.35 mm，說明間距對拱頂沉降存在較大影響；從底板變形量來看，間距>50 cm時變形量隨間距的減小而有效大幅度的減小，在間距<40 cm時，減小的幅度十分有限;從拱腰變形量來看，也具有類似的特征。由此可見，減小管棚間距對控制圍巖位移變形有利，但是加大施工作業難度和成本。結合模擬計算數據，管棚的環向間距以40 cm較為合理。

表2 不同間距的圍巖位移計算結果

3.2 管棚管徑計算結果與分析

為了研究管棚管徑對支護效果的影響，研究中保持管棚長度為20 m，管棚間距40 cm，管棚的布置范圍和注漿范圍保持不變，設計90 mm、100 mm、150 mm、200 mm和300 mm等5種不同的管棚管徑，利用上節構建的數值模擬模型，對圍巖的位移進行模擬計算。從計算結果中提取拱頂、底板和拱腰的累積位移量，結果如表3所示。

表3 不同管棚管徑的圍巖位移計算結果

由表3中的數據可以看出，隨著管棚管徑的增大，隧洞拱頂和底板的位移量均有所減小，管徑達到150 mm時，位移量減小的幅度明顯降低。由此可見，增大管棚管徑對控制拱頂和底板的位移有較大的作用，一方面，隧洞的拱腰位移變形隨著管棚管徑的增大波動變化，說明增大管棚管徑對控制拱腰變形的作用并不明顯。另一方面，增大管棚管徑不僅會大幅增加施工成本，同時鉆孔的難度也會迅速增加。綜合考慮所有因素，管棚管徑為150 mm較為合理。

3.3 管棚長度計算結果與分析

為了研究管棚長度對支護效果的影響，研究中保持管棚間距40 cm，管棚管徑150 cm，管棚的布置范圍和注漿范圍保持不變，設計10 m、15 m、20 m、25 m和30 m等5種不同的管棚長度，利用上節構建的數值模擬模型，對圍巖的位移進行模擬計算。從計算結果中提取拱頂、底板和拱腰的累積位移量，結果如表4所示。

表4 不同管棚長度的圍巖位移計算結果

由表4中的數據可以看出，隨著管棚長度的增大，隧洞各部位的位移量呈現出逐漸減小的趨勢。但是，除了管棚長度由10 m增加到15 m時各部位位移量的減小幅度相對較大外，再增加管棚長度，圍巖位移量的減小的幅度較為有限。由此可見，管棚長度對隧洞圍巖的位移變形存在一定的影響，但是影響較為有限。綜合施工技術和成本等方面的因素，管棚長度為20 m較為合理。

4 結 論

本次研究以清河水庫第二泄洪洞為例，利用數值模擬的方法進行了管棚設計參數優化研究，獲得的主要結論如下：

(1)隧洞不同部位的位移隨著管棚間距的減小而減小，但是管棚間距<40 cm時，減小的幅度十分有限，因此管棚的環向間距為40 cm較為合理。

(2)增加管棚管徑對控制拱頂和底板的位移具有十分顯著的作用，對控制拱腰變形的作用并不明顯。當管徑>150 mm時，控制拱頂和底板位移的作用明顯降低。綜合考慮所有因素，管棚管徑為150 mm較為合理。

(3)增加管棚長度對控制隧洞各部位的位移有利，但是作用較為有限。綜合施工技術和成本等方面的因素，管棚長度為20 m較為合理。