引水隧洞支護參數及施工方案優化研究

黃俊瑋

(中國水利水電第十一工程局有限公司,鄭州 450001)

0 引 言

引水隧洞是指用于引水或排水的隧洞工程。施工時,需要對隧洞進行支護,而支護參數的優化分析可以在保證隧洞安全的前提下,降低施工成本,提高工程效益。 目前,我國的水資源日益短缺,為了保證供水安全和水資源的合理利用,建設引水隧洞已成為必然趨勢。 施工過程中,面臨環境和地質條件的不確定性因素過多,因此支護參數的優化分析成為引水隧洞施工中的一個重要問題。 傳統的支護參數設計主要依賴于經驗和試驗,往往導致支護成本高、施工周期長、工程效益低等問題。 因此,開展基于引水隧洞安全性和經濟性協調發展的支護參數優化分析,對隧洞支護研究具有重要意義。

針對引水隧洞的支護參數和施工方案問題,許多研究人員提出了不同的研究方法進行優化。趙夢琦等[1]提出了基于敏感性分析的施工進度仿真理論和建模方法,實現了對全部施工仿真參數對工期敏感性的分析。 張繼勛等[2]通過平面非線性有限元方法,確定了影響圍巖穩定性的主要和次要因素。 祁英弟[3]建立了引水隧洞病害安全評價指標體系,并應用ANP 法和灰色關聯理論,構建了引水隧洞病害安全評價模型。 郭敏[4]采用小斷面和特小長隧洞機械化施工技術,提高了施工效率和安全保障,降低了成本和投資,改善了施工環境,并提高了整個項目實施的工期保證率。 王鴻等[5]的研究表明,西北寒區長距離輸水工程在流冰期輸水過程中,不同流速和不同碰撞角度的流冰對輸水隧洞襯砌會產生不同程度的撞擊作用。

本文以某干渠工程6 座引水隧洞為研究對象,通過正交試驗,設計研究該隧洞最優施工支護方案。

1 試驗方案

1.1 試驗模型參數

采用正交試驗設計方法,建立三因素三水平的九組試驗工況。 試驗工況的三因素包括鋼拱架間距、初襯厚度及開挖進尺。 本文選擇干渠工程中具有代表性的隧洞斷面為數值模擬對象。見圖1。

圖1 引水隧洞斷面

該隧洞采用全斷面開挖的施工方式,建立的模型材料參數見表1。

表1 數值模擬中的模型材料參數

1.2 試驗分組方案

隧洞的原設計方案為：初襯厚度、鋼拱架間距、開挖進尺分別為15cm、0.7m、1.6m。 在各影響因素的水平向添加兩個水平因素,得到的9 種設計工況見表2。

表2 隧洞正交設計試驗工況

1.3 試驗內容

1)經濟性分析。 采用現場調研的方式,結合工程造價和安全施工中各因素的影響,對9 種不同工況在隧洞每延米施工成本進行計算。

2)安全性分析。 采用指標隸屬度的方法,從位移和應力的角度分析隧洞洞室的安全性,得到位移和應力在隧洞施工成本發生改變后的相關變化規律。

3)經濟性和安全性綜合分析。 采用灰色關聯度的方法,對9 種不同工況進行指標評價,得出安全性和經濟性均最優的工況方案。

2 試驗方案

2.1 安全性分析

在隧洞施工過程中,不僅要考慮施工場景的安全性和施工工序的嚴謹性,成本控制也是施工過程中的關鍵環節。 成本價格資料的分析可以使用現場調研的方案,將9 個試驗工況結合,再對每延米施工成本進行計算。 現場調研的成本價格見表3。

表3 隧洞成本價格

根據表3 的各影響因素單價表,計算出不同工況隧洞施工中整體的總成本造價;再以總成本為基礎,與各工況不同工序的成本進行比值分析,得到引水隧洞施工過程中9 種工況的不同工序成本占比情況,見表4。

表4 隧洞施工不同工序成本占比

由表4 可知,鋼拱架和開挖占總成本的比值相較噴混而言,占比更高,而開挖和鋼拱架的成本與鋼拱架間距和開挖進尺有較大的關聯性。在選擇隧洞支護優化方案時,應對鋼拱架間距和開挖進尺這兩個方面做更多的考量[6-7]。

2.2 經濟性分析

在隧洞施工方案中,鋼拱架間距和開挖進尺是施工方案中衡量經濟性的重要性因素。 施工過程中,保障經濟性的同時,安全性也是需要兼顧的另一重要因素。 隧洞位移現象一般包括拱頂下沉、底板隆起和水平收斂,隧洞初襯應力位置則選取拱頂、邊墻、底板、拱腳作為研究對象。圖2 為隧洞不同位置應力和位移與鋼拱架間距的變化關系。

圖2 設計組模擬的試驗結果

由圖2(a)可知,隧洞位移主要是3 個方面發生較大的變化,水平收斂的位移分布點更分散,拱頂下沉的位移分布點最集中。 圖2(b)為鋼拱架成本對隧洞初襯不同位置的應力影響變化規律。 拱腳和底板的應力水平分布點相較于拱頂和邊墻更分散一些,底板的應力水平遠遠大于拱頂的應力水平,拱頂應力的分布點位相較于另外3 個位置,應力點分布更集中,表明拱頂應力點的分布變化規律和鋼拱架成本投入比的關聯性不大。 底板在施工過程中,往往不需要鋼拱架施工工序的參與,隨著鋼拱架成本的增加,底板的應力分布點更分散,拱頂的位移分布點出現更集中的趨勢。 鋼拱架在總成本的占比增大,則拱頂應力分布點呈下降趨勢,使其受力更均勻。 鋼拱架成本的增加,可以減小拱頂位移的速率。 設計地下工程時,需綜合考慮結構、荷載、成本等因素,以找到最優解。

在研究隧洞開挖過程中發現,開挖成本占比和其他位置位移分布點的密集程度有較大關系。洞室位移的分布點隨著開挖成本在總成本的投入占比不斷增加的過程中呈現逐步下降的趨勢,底板隆起的分布點表現出更為分散的趨勢,拱頂和水平收斂的位移分布點位則相對較為集中。此外,開挖成本的增加會影響隧洞不同位置應力點的分布情況,開挖成本越大,拱腳的應力點位分布越集中,應力點位變化趨勢呈逐漸減少的態勢。 開挖過程中的投入比過大,也會影響拱頂應力的增加,表明拱頂應力和開挖成本關聯性較小;拱腳應力隨著開挖成本的增大逐漸減小,表明拱腳應力與開挖成本關聯性較強。 見圖3。

通過指標隸屬度的方法,分析各因素綜合得分情況。 指標隸屬度是指設置從0 到1 的得分區間,給與正交試驗涉及的三大因素不同的權重比例,其中水平收斂、拱頂下沉、底板隆起的各部分權重比例為0.5、0.25、0.25,邊墻、底板、拱腳、拱頂各部分的權重比例為0.1、0.3、0.2、0.4。 指標隸屬度的算法是用指標值減去最小指標值比上最大指標值和最小指標值的插值。 采用指標隸屬度算法求得各指標得分的加權平均值,得出引水隧洞洞室不同位置處的位移應力與鋼拱架和開挖成本的規律。 結果表明,隧洞安全性指標和經濟性指標的得分率主要與位移、應力、開挖深度、鋼拱架間距有關,而開挖進尺深度對隧洞位移影響較大,鋼拱架成本對應力分布影響較大。見圖4。

圖4 各因素綜合得分情況

2.3 經濟性與安全性綜合分析

對正交試驗涉及的9 種工況使用灰色關聯度進行分析,分析使用的指標為水平收斂、拱頂下沉、底板隆起和隧洞不同位置處的應力。 將選取的指標與鋼拱架間距和開挖進尺進行關聯度分析,得到9 種工況中既符合經濟性又符合安全性的最優支付方案。 計算結果見表5。

表5 隧洞施工工序關聯度

由表5 可知,工況關聯度從大到小排列順序為：工況7、工況3、工況1、工況8、工況9、工況6、工況4、工況5、工況2;關聯度分別為0. 765、0.753、0.744、0.727、0.711、0.631、0.601、0.514、0.500。 其中,工況7 的關聯度為0.765,關聯度優于其他工況。 研究表明,開挖進尺深度與工況的關聯度存在最優開挖進尺深度的關系,而鋼拱架間距和初襯厚度均與工況關聯度呈正比例關系。 最優施工支護優化方案為初襯厚度17cm,鋼拱架間距0.9m,開挖進尺1.6m。

3 結 論

1)引水隧洞洞室的位移主要受到鋼拱架成本和開挖成本的影響,水平收斂對洞室位移的影響遠大于另外兩種位移方式,初襯應力受到鋼拱架成本和開挖成本的影響,拱頂和底板的應力受到的影響較大。

2)在經濟性方面,隧洞洞室主要受到鋼拱架成本和開挖成本的影響;在安全性方面,隧洞洞室主要受到水平收斂和拱頂應力、底板應力的影響。

3)初襯厚度、鋼拱架間距、開挖進尺施工工序在影響隧洞施工總成本占比方面分別存在不同的關聯性,按優先級從大到小的順序排列為：鋼拱架間距大于開挖進尺、開挖進尺大于初襯厚度。