穿越围岩破碎带水工隧洞加固方案设计与评价_戴成宗.pdf

穿越围岩破碎带水工隧洞加固方案设计与评价戴成宗（喀左县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122300）摘 要科学合理选择多种输水隧洞围岩破碎带水工隧洞加固方案，对施工监测分析具有十分重要的意义和作用。文中以具体工程为背景，利用数值模拟的方法对穿越围岩破碎带水工隧洞加固方案进行了分析评价，以便为富水破碎岩地下洞室工程施工提供有力的支撑，可为相关研究提供一定的支持和借鉴。关键词输水隧洞；破碎带；加固方案中图分类号 TV672+.1文献标识码B文章编号 10020624（2023）040005031 工程背景柴河供水系统是某重点供水工程二期的重要组成部分，线路总长56.18 km，主要由铁岭老城区供水工程和沈铁共用供水工程组成1。其中，沈铁共用供水工程为有压自流输水方式，供水线路的起点为柴河水库库区小河贝村新建取水头部，终点为沈铁分水口。供水线路由有压隧洞和管线组成，线路长9.05 km，其中，隧洞长7.36 km，管线长1.69 km。该工程输水隧洞桩号 D1203D2522洞段地形比较陡峻，岩性主要以板岩、砂岩风化碎块为主，地质环境相对较差。特别是，该洞段存在1条断层破碎带，碎石占比较大，碎石间隙为砂和粘性土填充。同时，由于该洞段处在河谷地带，地下水较发育，因此工程风险高。为了防止施工过程中发生系列地质灾害，应采用三台阶带仰拱一次开挖工法，支护尽快封闭成环。此次研究以该工程为背景，利用数值模拟的方式对不同支护加固措施进行评价，以便为工程设计和建设提供最佳施工方案，并通过施工完成后的监测数据分析，评价了研究方法和结果的科学性与合理性。2 FLAC3D有限元计算模型2.1 模型构建FLAC3D是由美国INASCA 公司在有限差分法的基础上开发的一款针对连续介质力学计算的仿真软件2。该软件采用的是显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够对土层、岩石等不同地质结构的受力特征进行准确模拟。其主要优势是在仿真模拟计算过程中不需要形成刚度矩阵，因此可以通过较小的计算量求解范围相对较大的岩土工程问题3。基于此，此次研究选择FLAC3D软件进行背景工程的有限元模型构建。由于研究洞段的地下水较发育，计算中需要考虑流固耦合的边界效应，因此，模型两侧的外轮廓及下边界均取开挖洞径的 5 倍，上边界取到地表4。在几何模型构建中，以垂直于隧洞中线指向右侧的方向为X轴正方向，以隧洞轴线指向下游的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。在计算过程中，隧洞围岩选择 Mohr-Coulomb 本构模型，初期支护为弹性模型，利用壳单元模拟，模型的其余部分利用实体单元模拟5。整个模型划分为 10 221 个网格单元，12 234 个节点，有限元模型示意图如图1所示。2.2 边界条件与计算参数根据研究的实际需要，计算模型采用位移约束条件。其中，对模型的侧面均施加竖向位移约束，对底面施加全位移约束，上表面为自由边界条2023年第4期东北水利水电规划设计 5DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.021件。模型的初始地应力由隧洞围岩的自重形成，并按照相关参数计算后施加于模型。模型的侧向应力需乘以测压系数6。在进行流固耦合计算过程中，将模型的侧面视为不透水边界，地面视为透水边界，模型上表面的静水压力为07。水头的高度以隧洞的拱底为基准向上延伸10 m8。在隧洞开挖之后，其开挖边界以外为透水边界。结合工程前期的地质调查数据和施工规范，确定模型的材料物理力学参数，见表1。表1 模型材料物理力学参数表3 加固方案设计与评价3.1 设计方案由于研究洞段穿越断层破碎带，为了有效控制围岩变形保证施工安全，在隧道开挖之前，需进行超前帷幕注浆，利用超前小导管进行注浆完成超前支护，以有效改善围岩的抗剪强度。在隧洞开挖之后及时进行喷锚支护，实现隧洞周边围岩的稳定。为了研究不同支护措施的工程效果，研究中设置了5种不同的计算方案，见表2。通过对不同方案的位移和安全系数计算，分析各种不同加固措施方案的工程效果。3.2 对比分析为了评价5种加固方案的工程效果，研究中利用构建的有限元模型对各方案的位移变形进行了模拟计算，并在计算结果中提取拱顶、拱肩、拱腰和底板等 4 个关键部位的位移量最大值，结果见表3。从表3中方案1和方案2的计算结果对比来看，采取超前注浆加固之后，由于浆液的胶结作用，隧洞围岩的岩体整体性明显提升，相关力学参数也得到了显著改善，开挖施工之后隧洞的拱顶沉降及拱底隆起变形量均大幅减小，说明围岩变形得到了有效控制。对比方案2和方案3，施加超前小导管不仅可以达到围岩加固的目的，还能够起到一定的超前管棚预支护作用。由此可见，在超前注浆的基础上施加超前小导管可以进一步控制隧洞围岩的变形。由于在背景工程中仅在上台阶部位施加超前小导管，因此，对上台阶的变形控制作用较强，对中下台阶变形的控制作用相对较弱。对比方案2和方案4，锚杆能够有效提升隧洞围岩岩体的粘聚力和内摩擦角，使隧洞周边的围岩形成较为稳定的整体，因此可以起到良好的围岩变形控制作用。5 种加固方案相比，方案 5 的加固效果最佳，围岩变形量在所有的计算方案中最小。表3 不同加固方案位移量计算结果研究中利用构建的有限元模型对5种方案的在挖支护施工中的围岩安全系数进行模拟计算，结果见表4。由表4可以看出，随着加固措施的不断增加，围岩的安全系数呈现出不断增大的变化特点。具体来看，没有采取任何加固措施的方案1，其图1 有限元模型示意图参数围岩初支二衬重度/（kNm-3）22.121.213.5弹性模量/GPa3.127.530.0泊松比0.330.210.15粘聚力/MPa0.35-内摩擦角/（）33-表2 计算方案设计表方案12345加固措施超前注浆无有有有有超前小导管无无有无有砂浆锚杆无无无有有部位拱顶拱肩拱腰底板方案197.9982.35108.73314.18方案251.5325.6533.64102.48方案338.6818.4926.8082.36方案433.8216.4321.0469.59方案525.6611.8816.9256.83mm规划设计东北水利水电2023年第4期 6收稿日期 2022-07-06围岩安全系数为 0.767，极有可能发生失稳破坏。其余各方案的安全系数均大于1，说明围岩处于稳定状态。其中，方案4和方案5的安全系数值大于工程设计的允许值 1.350，为可以采用的设计方案。方案5较方案4的围岩安全系数又有明显提升，和工程允许值相比存在一定的冗余度，而方案4的冗余度不足。因此，在工程施工中推荐采用方案5作为加固措施方案。表4 不同加固方案位移量计算结果4 施工监测数据对比分析施工监测分析具有十分重要的意义和作用，不仅可以监控施工过程中围岩和隧洞支护结构的动态，确保施工安全，还可以对支护结构的有效性进行评价，并进行合理调整。背景工程在施工过程中利用高精度全站仪，采用非接触测量法对研究洞段围岩变形进行监测，其监测结果和计算结果的对比见表5。由表5可以看出，模拟计算结果和实测结果比较接近，误差均在 10%以内。由此可见，此次研究所构建的计算模型对背景工程有良好的适应性，同时也从侧面说明选择的加固方案是合理的，可以保证工程施工的安全进行。表5 位移监测结果对比5 结 语选择科学合理的开挖和加固工程方式，对保证地下洞室工程的施工安全具有重要意义。此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方法对不同施工加固方案进行分析评价。根据计算结果，建议在工程设计和施工中综合采用超前帷幕注浆、超前小导管和砂浆锚杆加固措施，可以获得一定的安全系数冗余量，能够保证工程施工的顺利进行。与施工中的监测数据对比显示，模拟计算结果具有良好的精度，可以为相关类似研究提供一定的支持和借鉴。当然，此次研究没有就其他施工工法对隧洞稳定性的影响展开研究，在今后需要在该领域做进一步的深入探索，以便为富水破碎岩地下洞室工程施工提供有力的支撑。参 考 文 献1张玉贤，张继勋，任旭华，王天兴.基于结构安全的水工隧洞施工仿真系统研究 J.水资源与水工程学报，2020，31（5）：149-156.2王天兴，张继勋，任旭华，张玉贤.基于BIM技术的水工隧洞施工进度仿真研究 J.长江科学院院报，2020，37（11）：149-155.3凌永玉，刘立鹏，汪小刚，傅睿智，孙兴松.大尺寸水工隧洞衬砌物理模型试验系统研制与应用 J.水利学报，2020，51（12）：1495-1501.4景耀斌，顾伟红，翟强.基于博弈论组合赋权的水工隧洞TBM施工地质适宜性评价模型 J.安全与环境工程，2021，28（2）：95-101.5张柏楠，韩勃，李宁博，甘高源.长距离水工隧洞运营期无人检测技术及病害识别方法研究进展 J.应用基础与工程科学学报，2021，29（5）：1245-1264.6王屹久.水工隧洞围岩变形与应力数值模拟分析 J.水利技术监督，2022（2）：200-203.7李铮，徐晓东，郑冲泉，徐康，何勇军.水工隧洞衬砌钢筋应力混合模型的建立及监控指标拟定 J.中国农村水利水电，2022（2）：140-143.8佘磊，王玉杰，曹瑞琅，李炎隆.高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开度计算方法评析 J.水利水电技术，2018，49（8）：142-149.方案计算结果10.76721.15431.30741.46051.722mm监测部位拱顶拱肩拱腰底板位移量/mm模拟值25.6611.8816.9256.83实测值23.2712.2215.6852.78误差/%9.31-2.867.337.132023年第4期东北水利水电规划设计 7No.4 2023（Total No.465）Water Resources&Hydropower of NortheastDesign and evaluation of reinforcement scheme for hydraulic tunnelthrough broken zone surrounding rockDAI Cheng-zongAbstractScientific and reasonable selection of various hydraulic tunnel reinforcement schemes in broken zone of surroundingrock has very important significance and function for construction monitoring and analysis.In order to provide a strong support forthe construction of water-rich fractured rock underground cavern,this paper takes the concrete project as the background and usesthe numerical simulation method to analyze and evaluate the reinforcement scheme of hydraulic tunnel passing through the fracturedrock zone,which can provide certain support and reference for the related research.Key wordshydraulic tunnel；broken zone；reinforcement schemeStudy on influence of sudden expansion ratio on energy dissipationcharacteristics of down-expansion type stilling poolWANG Ji-dongAbstractThe ratio of sudden expansion is an important index which