某抽水蓄能電站交通隧洞軟弱圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析

金丙茹

摘 要：某抽水蓄能電站交通隧洞出口圍巖不穩(wěn)定，開挖過程中容易出現(xiàn)大的變形甚至塌方，該工程采用支護(hù)方式解決此問題。通過建立隧洞模型，對其支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算及分析。結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且安全可靠。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;交通隧洞;軟弱圍巖;支護(hù);有限元

中圖分類號：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-03

Finite Element Analysis of Soft Surrounding Rock Support Structure of Traffic Tunnel of a Pumped Storage Power Station

JIN Bingru

（School of Civil Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang Henan 471000）

Abstract： The surrounding rock at the exit of the traffic tunnel of a pumped storage power station is unstable， and it is easy to have large deformation or even collapse in the excavation process. Therefore， the project adopts support to solve this kind of problem. In this paper， the finite element calculation and analysis of its supporting structure are carried out by establishing the tunnel model. The results show that the design of support structure is reasonable， safe and reliable.

Keywords： pumped storage power station;traffic tunnel;weak surrounding rock;support;finite element

1 工程概況

某抽水蓄能電站交通隧洞進(jìn)口位于下庫壩址上游約215 m，進(jìn)口高程為314.575 m;出口位于下庫壩址下游約190 m，出口高程為288.973 m;全長393 m，平均坡度約5.88%;其中隧道長度為379 m，隧道建筑界限為8.5 m×6.5 m。下庫繞壩交通隧洞設(shè)計(jì)等級為水電三級。

下水庫（壩）區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以斷層、侵入巖脈為主，結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理、裂隙。出口段受斷層及巖脈影響，巖體較破碎，完整性差，節(jié)理發(fā)育，圍巖以Ⅳ類為主，局部存在Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定性差。

2 隧洞支護(hù)方案

采取復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架組合形式，二次襯砌為整體式襯砌（C30鋼筋混凝土），具體襯砌支護(hù)參數(shù)見表1。

3 初期支護(hù)的有限元計(jì)算及分析

采用地層結(jié)構(gòu)法[1]計(jì)算初期支護(hù)的內(nèi)力和變形，圍巖的特性參數(shù)值如表2所示。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.0—2018），確定支護(hù)材料的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

通過模擬分析計(jì)算，初期支護(hù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖1所示。襯砌彎矩最大值在拱頂A處，最大值為9.45 kN·m;壓力最大值在拱腳B處，最大值為302.55 kN;剪力最大值在拱頂C處，最大值為16.75 kN。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算公式分別如式（1）和式（2）所示：

KN≤φαRbh （1）

KQ≤0.07Rbh （2）

式中：K表示安全系數(shù);N和Q表示軸向力和剪力;φ表示構(gòu)件縱向彎曲系數(shù);α表示軸向力的偏心影響系數(shù);R表示混凝土的抗壓極限強(qiáng)度;b和h表示截面寬度和厚度。

對A、B、C三點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算[2]，計(jì)算過程見表4和表5，其中各參數(shù)按規(guī)范要求取值：K=2.0，φ=1，b=

0.25 m，h=1 m，R=19.0 MPa。

經(jīng)計(jì)算，初期支護(hù)的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，有效保障了圍巖的穩(wěn)定性和施工的安全性。

4 二次襯砌的有限元計(jì)算及分析

采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算二次襯砌的內(nèi)力。先計(jì)算作用在二次襯砌上的荷載，本次模擬主要計(jì)入的荷載包括襯砌上方的彈性抗力、垂直壓力和水平側(cè)壓力，計(jì)算公式分別如式（3）、式（4）和式（5）所示：

式中：σ表示彈性抗力的強(qiáng)度;k表示圍巖彈性抗力系數(shù);δ表示襯砌朝向圍巖的變形值;q和e表示作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的垂直均布荷載和水平側(cè)壓應(yīng)力;H、h和Bt表示隧道埋深、隧道底部到地面的距離和隧道寬度;γ表示隧道上覆圍巖重度;λ表示側(cè)壓力系數(shù);θ表示摩擦角。

代入各參數(shù)[3]計(jì)算得：彈性抗力強(qiáng)度σ=159 kN/m;側(cè)壓力系數(shù)λ=0.16;垂直壓力q=317.8 kN/m;水平側(cè)壓應(yīng)力e=119.9 kN/m。

通過模擬分析計(jì)算，二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。二次襯砌壓力最大值在拱腳D處，最大值為3 386.2 kN;彎矩最大值在拱腳E處，最大值為1 772.9 kN?m。對D、E兩點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故二次襯砌可以為圍巖的穩(wěn)定提供有效保障。

5 施工情況及注意事項(xiàng)

按照施工設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工。根據(jù)現(xiàn)場施工反饋，出口處已施工段圍巖變形較小，無明顯裂縫，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，為圍巖穩(wěn)定性提供了可靠保障。施工中應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

第一，地質(zhì)勘察在隧洞工程施工中起著重要作用，因此在施工過程中應(yīng)做好地質(zhì)勘察工作，通過采用不同的勘察技術(shù)手段，對還未施工的隧洞掌子面地質(zhì)進(jìn)行勘測。對于地質(zhì)變化較大的段落，要及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位，核實(shí)設(shè)計(jì)的合理性，相應(yīng)地調(diào)整施工方案。

第二，對于巖體風(fēng)化程度高、巖體破碎的偏壓情況，可以通過注漿的方式加固巖體，待其硬化達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行開挖。注漿過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：注漿孔位布置應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求做好標(biāo)記;鉆孔注漿時(shí)，先鉆上方，注漿結(jié)束后，待其強(qiáng)度達(dá)到要求后再繼續(xù)進(jìn)行下一孔注漿;鉆孔深度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求位置，鉆孔過程應(yīng)緩慢輕壓，防止鉆位出現(xiàn)偏差;注漿前應(yīng)做注水試驗(yàn)，檢查注漿設(shè)備的密閉性。

第三，初期支護(hù)在開挖巖體后應(yīng)及時(shí)施作，防止開挖斷面巖體出現(xiàn)松動(dòng)甚至塌方等災(zāi)害[4]。按照施工圖設(shè)計(jì)斷面尺寸，先開挖上部拱頂巖體，嚴(yán)格控制開挖斷面。開挖后及時(shí)清理裸露松散巖塊，檢查超欠挖情況，及時(shí)噴射C25混凝土封閉巖面，減少巖體松動(dòng)變形。

第四，砂漿錨桿采用C22鋼筋按照設(shè)計(jì)要求制作，提前準(zhǔn)備好注漿設(shè)備，按照隧洞施工設(shè)計(jì)圖紙確定砂漿錨桿布設(shè)位置，并用紅漆做好標(biāo)記。鉆孔大小和深度應(yīng)符合施工規(guī)范要求，鉆孔結(jié)束后應(yīng)及時(shí)采用高壓水槍清孔。按照要求配合比配置砂漿液，砂漿液應(yīng)攪拌均勻。在清理干凈的孔內(nèi)注滿砂漿液后插入制作好的錨桿，并做好養(yǎng)護(hù)工作，確保砂漿強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)值，使錨桿能充分發(fā)揮錨固作用[5]。

第五，在砂漿錨桿布設(shè)結(jié)束后進(jìn)行鋼筋網(wǎng)的支護(hù)。為了加快施工進(jìn)度，采用提前制作好的鋼筋網(wǎng)片。在洞外制作鋼筋網(wǎng)片，按照設(shè)計(jì)要求間距250 mm×250 mm焊接鋼筋形成長2 m、寬1 m的鋼筋網(wǎng)片，集中存放，并做好防潮防銹措施，在鋼筋網(wǎng)支護(hù)前運(yùn)往洞內(nèi)拼接。運(yùn)輸過程應(yīng)小心，避免鋼筋變形。鋼筋網(wǎng)片應(yīng)鋪滿整個(gè)斷面，與錨桿進(jìn)行焊接固定，另外采用焊接的方式將各個(gè)鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行拼接。在噴射混凝土?xí)r，要保證鋼筋網(wǎng)片的保護(hù)層厚度滿足施工規(guī)范要求。

第六，按照設(shè)計(jì)尺寸預(yù)制加工鋼拱架。先將適宜長度的工字鋼整體冷彎成型，然后按照隧洞開挖方案斷面尺寸分割成段，并焊接上連接板，應(yīng)保證相連段連接板螺栓孔對應(yīng)準(zhǔn)確無誤。加工好的鋼拱架在保存時(shí)應(yīng)注意做好防潮防銹措施，運(yùn)往施工現(xiàn)場時(shí)應(yīng)注意保護(hù)，避免產(chǎn)生變形。在安裝鋼拱架時(shí)應(yīng)多點(diǎn)固定，保證拼接順利。

第七，在鋼拱架安裝好后進(jìn)行混凝土噴射。先按照設(shè)計(jì)配合比要求配置混凝土，然后在拌和站拌和均勻后通過濕噴設(shè)備進(jìn)行混凝土噴射。需按照設(shè)計(jì)要求噴射厚度進(jìn)行噴射，噴射時(shí)應(yīng)調(diào)整壓力和角度，以確保噴射的質(zhì)量滿足施工要求。在混凝土噴射完畢后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行坑洼抹平。分層噴射時(shí)應(yīng)保證前一層混凝土凝結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求后再噴射，以保證分層混凝土之間更好地結(jié)合。

6 結(jié)語

通過對隧洞初期支護(hù)和二次襯砌的有限元分析和理論進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目襯砌的拱頂及拱腳處是荷載驗(yàn)算的危險(xiǎn)截面，可為以后類似地質(zhì)條件的隧洞工程設(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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