新建放空沖砂隧洞開挖及支護(hù)數(shù)值模擬研究

陸林焰

（廣東省水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

1 工程概況

龍頸下水庫位于廣東省揭陽市揭西縣五經(jīng)富鎮(zhèn)，為綜合性的中型水庫。水庫總?cè)萘繛? 017萬/m3。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)。設(shè)計(jì)洪水位57.44 m（珠江基準(zhǔn)），相應(yīng)庫容2 579萬m3，最大洪水排放量3 047 m3/s，標(biāo)準(zhǔn)蓄水位54.50 m。工程移址重建放空隧洞以滿足水庫放空的要求。

新建放空隧洞由進(jìn)口護(hù)底段、進(jìn)口段、閘室段（放水塔）、漸變段、隧洞洞身及出口消力池段組成，整體長(zhǎng)度為185 m。其中隧洞進(jìn)口放水塔布置在東溢洪道左岸約75 m 處，隧洞洞身軸線總長(zhǎng)154.91 m。新隧洞及放水塔施工完成后，拆除舊隧洞放水塔并對(duì)舊隧洞洞身全段進(jìn)行封堵，封堵長(zhǎng)度約85 m。在隧洞出口臨時(shí)道路下游附近布置人工材料倉庫。

隧洞封堵材料采用微膨脹混凝土，混凝土等級(jí)為C20素混凝土。隧洞進(jìn)水口位于現(xiàn)有碼頭下方，設(shè)計(jì)底板高程34.90 m。進(jìn)水口部位未發(fā)現(xiàn)斷層出露，全強(qiáng)風(fēng)化層淺薄，弱風(fēng)化巖體埋深較淺，巖體以鑲嵌-碎裂結(jié)構(gòu)為主，進(jìn)洞厚圍巖風(fēng)化程度一般，巖體完整性差，需錨固處理。圍巖初步分類為Ⅳ類，局部Ⅴ類。隧洞出水口位于東溢洪道沖刷坑上方，設(shè)計(jì)底板高程27.40 m。據(jù)地面地質(zhì)測(cè)繪及鉆孔揭示，進(jìn)水口部位第四系坡積層厚一般0.50～1 m，主要為碎石土，下伏基巖為石英斑巖，全強(qiáng)風(fēng)化層淺薄，弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，局部較破碎。

2 模擬方案及參數(shù)設(shè)置

2.1 隧洞開挖方案及參數(shù)設(shè)置

新建放空隧洞為城門洞型，開挖工程主要為隧洞進(jìn)出口護(hù)坡、隧洞洞身石方洞挖。設(shè)置隧道寬度為4 m，開挖高度為5 m；隧洞洞身襯砌混凝土為C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌凈寬3 m，凈高4 m，抗?jié)B等級(jí)不低于W8。所有土石方明挖必須從上而下分層進(jìn)行邊仰坡開挖。在確定入洞口處位置時(shí)，需要建立洞外排水溝進(jìn)行排水與截水，這樣才能使得地表水較好運(yùn)用。按設(shè)計(jì)坡度對(duì)邊仰坡進(jìn)行一次整平工作，并逐級(jí)分步對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。通過這種手段使得巖石保持較好狀態(tài)，防止雨水沖刷后導(dǎo)致的坍塌。進(jìn)行逐級(jí)開挖工作時(shí)，將兩排錨桿高度設(shè)定為作業(yè)高度，開挖過程中使用的臺(tái)階高為3 m。按預(yù)計(jì)的開挖輪廓線，確定炮眼位置。間隔為45～70 cm，兩側(cè)眼間隔為88～89 cm，不同工作面選用FY-284 型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)完成工作。在選擇炸藥時(shí)，根據(jù)巖石滲水情況，使用乳化炸藥進(jìn)行，炮眼使用φ26光爆小卷，非電毫秒起爆雷管起爆。用經(jīng)緯儀測(cè)量出開挖輪廓線，并在周圍尋找打眼位置，進(jìn)行鉆眼與起爆。要求裝藥前務(wù)必進(jìn)行吹眼，根據(jù)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝藥，連接正確雷管線，并控制鉆眼精度為3 cm。一次開挖循環(huán)的炸藥量計(jì)算公式為：

式中：Q為一個(gè)爆破循環(huán)總用藥量；q為爆破單位巖石的炸藥量；v為巖石總體積。巖面破碎洞段在進(jìn)行安全處理后，可先噴一層3 cm 厚混凝土，出渣后再進(jìn)行上述步驟。過程中要不斷檢查已開挖洞段的圍巖穩(wěn)定情況，提升施工周邊現(xiàn)場(chǎng)的安全性。在石方開挖過程中，需要及時(shí)檢查開挖剖面水平，保證邊坡軟弱巖層的質(zhì)量，加強(qiáng)邊坡安全。開挖完成后，對(duì)邊坡開挖質(zhì)量驗(yàn)收，設(shè)置基礎(chǔ)開挖面的平面尺寸、邊坡平整度。

2.2 支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)巖層屬性制定隧洞支護(hù)準(zhǔn)則，以此設(shè)置隧洞支護(hù)參數(shù)。在開挖區(qū)域前部較為穩(wěn)定的巖層中，打入超前錨桿，并且將錨桿末端支撐到拱部圍巖中。

按設(shè)計(jì)開挖半徑超挖30 cm進(jìn)行放樣，畫出上半洞開挖輪廓線。超挖30 cm畫線是為了錨桿和錨桿內(nèi)側(cè)的工字鋼拱架，在規(guī)格外不削減隧洞混凝土的厚度。考慮了錨桿鉆孔的精度，以防個(gè)別孔向內(nèi)偏差。利用手風(fēng)鉆鉆孔。設(shè)置孔徑48 mm，兩側(cè)間距300 mm。孔的深度為4.50 m，鉆孔中的橫向角度為5°。開孔位置要求按照標(biāo)準(zhǔn)選擇，錨桿要設(shè)置在洞頂120°中。在錨桿施工前，先注入砂漿再用氣腿式風(fēng)鉆送入錨桿。如果圍巖質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，可在錨桿外掛設(shè)鋼筋并噴射混凝土。如果圍巖質(zhì)量較差，需運(yùn)用不同種類的錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，再灌注混凝土進(jìn)行澆筑加固。在隧洞爆破中控制爆破力量，維持隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要及時(shí)添加支護(hù)防止危險(xiǎn)發(fā)生。在洞口拱部120°范圍內(nèi)布置3排Φ25錨桿，長(zhǎng)度4.50 m，梅花形布置。洞口設(shè)置1.50 m明拱段，洞頂設(shè)置帽檐，帽檐尺寸參照設(shè)計(jì)圖紙。明拱段支護(hù)采用16#工字鋼支撐，長(zhǎng)度為3.00 m，厚為0.40 m。對(duì)圍巖進(jìn)行有效的約束，防止產(chǎn)生坍塌等安全問題產(chǎn)生。要參照隧洞施工的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來進(jìn)行，保證灌漿的有效性，減少隧洞漏水問題。在灌漿時(shí)分成不同段，控制段間距為50 m。回填灌漿后要進(jìn)行固結(jié)灌漿，間隔時(shí)間約為7-14 d，為保證充分灌漿運(yùn)用梅花形的方式進(jìn)行澆筑。

3 數(shù)值模擬分析

為檢測(cè)新建放空沖砂隧洞的應(yīng)用效果，在施工中設(shè)置五個(gè)施工小組，運(yùn)用川字布點(diǎn)法對(duì)施工結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)隧洞兩幫收斂量在60 mm以內(nèi)時(shí)為隧洞施工預(yù)期目標(biāo)。

運(yùn)用FLAC3D 有限差分軟件對(duì)變形進(jìn)行隧洞整體數(shù)值模擬。根據(jù)隧洞大小進(jìn)行建模為30 m×30 m×10 m。隧洞埋深450 m，圍巖平均重量為1.30萬N/m3，豎直應(yīng)力為13.60 MPa，并選擇合適的力學(xué)模型建立。在邊界施加X軸方向的約束，在底部施加Y 軸方向的約束，并在頂部施加應(yīng)力邊界值，完成對(duì)于位移量的約束。主要觀測(cè)數(shù)據(jù)為隧洞兩幫收斂量和隧洞頂?shù)装逦灰屏俊８鶕?jù)不同施工小組隧洞的變形程度，對(duì)不同小組設(shè)置不同的參數(shù)。

3.1 結(jié)果分析

5個(gè)施工小組的施工結(jié)果如表1所示。

表1 各個(gè)施工小組施工結(jié)果表

在開挖前后隧洞兩幫收斂量對(duì)比如圖1所示。

圖1 隧洞兩幫收斂量圖

由結(jié)果可知，隧洞兩幫變形量較開挖前更小。隨著觀測(cè)時(shí)間增加，隧洞兩幫變形收斂量均在60 mm之內(nèi)，收斂量明顯減小，增長(zhǎng)速度較為平緩，基本控制了隧洞兩幫的變形程度，滿足設(shè)計(jì)需求。不僅提升了隧洞的抗力和抗剪應(yīng)力，還保證了隧洞的穩(wěn)定性，增加了施工的安全性。

綜上所述，對(duì)隧洞圍巖的水X 軸位移進(jìn)行分析，圍巖在水平方向的變形使得隧洞兩幫的收縮，從而產(chǎn)生隧洞鋼梁的變形。在不同支護(hù)小組中，圍巖水平位移變化幾乎保持相同，兩幫相對(duì)位移量為213～214 mm。在水平位移約束中，隧洞整體設(shè)計(jì)較優(yōu)。同時(shí)，對(duì)隧洞的Y軸變形進(jìn)行分析。隧洞圍巖在垂直方向的變形會(huì)引起頂?shù)装宓倪^度沉降，使得頂板發(fā)生塌陷。從而發(fā)生整體結(jié)構(gòu)變形情況。在施工方案實(shí)施后，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量為354～357 mm 之間。隧洞在錨桿和鋼帶支護(hù)作用下，隧洞表面巖體的完整性得到了明顯的提升。兩幫和頂板的破損分布較為集中，且隨著應(yīng)力的大小保持一定的穩(wěn)態(tài)趨勢(shì)，塑性區(qū)范圍沒有發(fā)生變化。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果及施工成本整合來看，整體施工效果較為良好。

4 結(jié)語

為了提高隧道的穩(wěn)定性與安全性，研究了新建放空沖砂隧洞開挖及支護(hù)數(shù)值模擬。設(shè)置數(shù)值模擬參數(shù)以及模擬方案，以此進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過模擬驗(yàn)證了本文方法能夠提高隧道的穩(wěn)定性，保證了成型后深挖方段落能有效使用，加快了施工速度，實(shí)現(xiàn)了隧洞工程項(xiàng)目的安全施工。今后在研究中，可以繼續(xù)優(yōu)化斷面參數(shù)及錨桿布置參數(shù)，對(duì)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加以要求，設(shè)計(jì)優(yōu)化支護(hù)方案，提升圍巖強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)隧洞施工中開挖及支護(hù)更高效、安全的應(yīng)用。