輸水管道工程不同注漿飽滿度管棚承載特性及支護(hù)效果模擬

(桓仁滿族自治縣水庫(kù)移民開(kāi)發(fā)局，遼寧 桓仁 117200)

管棚超前支護(hù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種在軟弱圍巖中進(jìn)行隧洞施工的新技術(shù)，在水工隧洞、隧道、地鐵和地下通道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。管棚支護(hù)技術(shù)隨著工程應(yīng)用而逐步趨于完善，但是相關(guān)理論研究比較滯后，在布置范圍、直徑、工藝參數(shù)方面尚未形成系統(tǒng)理論。本次研究以觀音閣水庫(kù)輸水工程輸水隧洞出口段為對(duì)象，利用數(shù)值模擬手段，探討注漿飽滿度對(duì)管棚承載特性及預(yù)支護(hù)效果的影響，對(duì)管棚支護(hù)的定量化參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 工程背景

遼寧省觀音閣水庫(kù)輸水工程，是自遼寧省本溪縣的觀音閣水庫(kù)庫(kù)區(qū)自流引水，經(jīng)過(guò)輸水管線及隧洞，將水引到本溪市的一項(xiàng)大型引水工程，工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為125萬(wàn)m3/d[1]，輸水線路總長(zhǎng)度為80.727km，其中包括38.86km的管線以及41.70km的輸水洞[2]。

工程區(qū)多年平均氣溫為7.70℃，最冷月份的平均氣溫為-15.70℃，最大凍土深度為141cm，工程隧洞段地處本溪市低山丘陵區(qū)，地形起伏，相對(duì)高差為20～100m，沖溝發(fā)育[3]。輸水隧洞出口接近南北走向，岸坡穩(wěn)定，洞頂上部分布有平均厚度10～15m的粉質(zhì)砂土層。原設(shè)計(jì)方案將砂土層全部挖除，再進(jìn)行洞室石方開(kāi)挖，但是出口明挖段開(kāi)挖完畢后，沿洞方向仍有近60m左右的松散砂地層，如果重新開(kāi)挖，工程量較大，因此，確定采取管棚支護(hù)方式進(jìn)行輸水隧洞出口段松散地層開(kāi)挖施工作業(yè)。

2 構(gòu)建計(jì)算模型

2.1 MIDAS GTS-NX軟件簡(jiǎn)介

MIDAS GTS-NX是一款巖土結(jié)構(gòu)分析有限元軟件，由于本文研究需要基于實(shí)際工程背景，對(duì)管棚進(jìn)行精細(xì)化模擬計(jì)算，需要較多的單元網(wǎng)格數(shù)量，因此，采用MIDAS GTS-NX軟件進(jìn)行建模計(jì)算。

2.2 模型的建立和網(wǎng)格劃分

為了研究注漿飽滿度對(duì)管棚的承載特征以及支護(hù)效果的影響，利用MIDAS GTS-NX軟件構(gòu)建研究對(duì)象的三維有限元模型[4]。結(jié)合研究需求以及施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，確定模型的尺寸為100m×85m×45m。管棚和管內(nèi)加筋采用實(shí)體單元模擬，注漿飽滿度利用“小參數(shù)法”模擬[5]。為了滿足精細(xì)化研究的需求，對(duì)模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，對(duì)隧洞周邊進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終劃分為56843個(gè)計(jì)算網(wǎng)格、23674個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

2.3 約束條件

計(jì)算模型的約束條件為：在模型的四個(gè)側(cè)面施加水平方向位移約束，模型的底部施加X(jué)、Y、Z方向約束，模型的上表面為自由面。在輸水隧洞出口初期支護(hù)時(shí)采用liner線單元模擬，不僅可以保證管棚支護(hù)與隧洞圍巖緊密貼合，還可以保證兩者之間的應(yīng)力傳遞，更能科學(xué)反映支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧洞圍巖之間的相互作用[6]。

2.4 計(jì)算參數(shù)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將φ60的小管棚的剛度利用等效面積法換算到周邊地層，各組單元的具體參數(shù)參考工程勘察設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)報(bào)告(見(jiàn)表1)。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 管棚變形對(duì)比分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)輸水隧洞出口段開(kāi)挖至50m處，注漿飽滿度為100%時(shí)的管棚撓度進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)果顯示：隨著進(jìn)口段開(kāi)挖，管棚逐漸產(chǎn)生一定的撓曲變形，相比而言，靠近拱頂?shù)墓芘锎嬖诒容^大的豎向位移，而拱腳部位的管棚變形較小。根據(jù)上述規(guī)律，從拱頂至拱腳部位依次選取5根管棚，分別編號(hào)為O、P、Q、R、S，對(duì)其在100%、90%、80%、50%四種不同注漿飽滿度下的豎向位移進(jìn)行對(duì)比分析。開(kāi)挖至50m時(shí)的沉降曲線見(jiàn)圖1～圖4，由圖可知，在不同注漿飽滿度條件下，管棚的豎向位移變形具有類似的規(guī)律，均呈現(xiàn)出自拱頂?shù)焦澳_逐漸減小的分布規(guī)律。此外，隨著注漿飽滿度的不斷降低，靠近拱頂?shù)那叭齻€(gè)管棚豎向位移增大比較明顯，而后兩個(gè)并不明顯。為此，選取O和S進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖1 飽滿度100%時(shí)的沉降曲線

圖2 飽滿度90%時(shí)的沉降曲線

圖3 飽滿度80%時(shí)的沉降曲線

圖4 飽滿度50%時(shí)的沉降曲線

對(duì)管棚O和S在不同注漿飽滿度條件下的最大豎向位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得圖5和圖6豎向變形曲線圖。隨著注漿飽滿度的降低，豎向沉降位移變形不斷增大，與注漿飽滿度100%相比，注漿飽滿度為50%時(shí)的豎向沉降量增大近1倍。

圖5 管棚O豎向位移曲線

圖6 管棚S豎向位移曲線

3.2 管棚扁平程度分析

根據(jù)相關(guān)研究成果，在注漿不飽滿的情況下，管棚純彎過(guò)程中的管口部位會(huì)發(fā)生壓扁變形，對(duì)管棚的支護(hù)作用造成不利影響，因此，研究中選擇拱頂部位管棚O上部的A點(diǎn)和下部的B點(diǎn)進(jìn)行扁平程度分析，獲得兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓縮量，也就是縱向位移量與隧洞長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖7)。由圖可知，隨著注漿飽滿度的降低，管棚的壓縮量不斷增大，飽滿度為80%時(shí)的壓縮量會(huì)增加到飽滿情況時(shí)的近1.3倍，而飽滿度為50%則會(huì)急劇增加到6.9倍。由此可見(jiàn)，飽滿度不足會(huì)使管棚的承載作用大打折扣。

圖7 管棚O壓縮量變化曲線

圖8 管棚O豎向應(yīng)力變化曲線

3.3 管棚的豎向應(yīng)力分析

提取模型計(jì)算中管棚O的豎向應(yīng)力(見(jiàn)圖8)。由圖可知，在輸水隧洞開(kāi)挖至100m處，在飽滿度為100%時(shí)管棚的兩端主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而中間部位主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)點(diǎn)位于兩端10m左右的部位。飽滿度為90%和80%時(shí)具有相似的應(yīng)力分布特征，但是壓應(yīng)力減小，拉應(yīng)力增大，而飽滿度為50%時(shí)則全部表現(xiàn)為拉應(yīng)力。對(duì)比管棚中部的應(yīng)力值，當(dāng)飽滿度為100%時(shí)，豎向應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為1.97kPa，隨著飽滿度的降低，豎向應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，飽滿度為80%時(shí)最大壓應(yīng)力為0.47kPa，而飽滿度為50%時(shí)，最大拉應(yīng)力為6.38kPa。應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，注漿飽滿度的降低會(huì)造成管棚承載力的不斷降低，飽滿度不足會(huì)使管棚的承載作用大打折扣。

3.4 地表沉降控制效果分析

在輸水隧洞出口段地表正上方間隔25m均勻設(shè)置S1～S5五個(gè)地表沉降量測(cè)點(diǎn)，提取計(jì)算結(jié)果中的相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制沉降量曲線(見(jiàn)圖9)。由圖可知，輸水隧洞中心線上的地表沉降量隨著施工掌子面的推進(jìn)而逐漸增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定，沉降量的最大值約12mm左右。說(shuō)明采取管棚支護(hù)方式可以對(duì)地表沉降產(chǎn)生良好的控制作用。不同測(cè)點(diǎn)的沉降量對(duì)比結(jié)果顯示，位于中間部位的S3測(cè)點(diǎn)的沉降量最大，因此，選取該測(cè)點(diǎn)對(duì)不同注漿飽滿度條件下的管棚支護(hù)效果進(jìn)行分析，并繪制沉降變形曲線(見(jiàn)圖10)。由圖中的曲線可知，該測(cè)點(diǎn)的地表沉降量會(huì)隨著注漿飽滿度的降低而逐漸增大，當(dāng)注漿飽滿度為90%、80%和50%時(shí)，S3測(cè)點(diǎn)的地表沉降量分別比注漿飽滿度100%的情況下增大20.3%、59.1%和126.5%，由此可見(jiàn)，管棚的注漿飽滿度會(huì)對(duì)地表沉降控制造成十分顯著的影響。

圖9 各測(cè)點(diǎn)地表沉降變形曲線

圖10 S3測(cè)點(diǎn)地表沉降變化曲線

4 結(jié) 論

本文以遼寧省觀音閣輸水工程輸水隧洞出口段管棚支護(hù)工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)管棚注漿飽滿度對(duì)管棚的承載特征和支護(hù)效果的影響進(jìn)行研究。

結(jié)論如下：隨著進(jìn)口段的開(kāi)挖施工，靠近拱頂?shù)墓芘锎嬖诒容^大的豎向位移，而拱腳部位的管棚變形較??；隨著注漿飽滿度的降低，豎向沉降位移變形不斷增大，注漿飽滿度為50%時(shí)的豎向沉降量增大近1倍；隨著注漿飽滿度的降低，管棚的壓縮量不斷增大，飽滿度不足會(huì)使管棚的承載作用大打折扣。

管棚的豎向應(yīng)力分析結(jié)果顯示，頂部管棚的豎向應(yīng)力會(huì)隨著注漿飽滿度降低逐步由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，且拉應(yīng)力值不斷增大。說(shuō)明注漿飽滿度的降低會(huì)造成管棚承載力的不斷降低，飽滿度不足會(huì)使管棚的承載作用大打折扣；地表沉降控制效果分析結(jié)果顯示，采取管棚支護(hù)方式可以對(duì)地表沉降產(chǎn)生良好的控制作用，而管棚的注漿飽滿度降低會(huì)對(duì)地表沉降控制造成十分明顯的不利影響。