輸水隧洞旁通洞施工圍巖及一次支護有限元分析

呂昀龍

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某輸水隧洞主洞與旁通洞交叉段為38 m，交叉段后接長35 m檢修洞，隧洞主洞尺寸7.64 m×7.77 m(寬度×高度)，交叉段隧洞尺寸7.7 m×9.356 m(寬度×高度)，檢修洞尺寸10.3 m×13.95 m(寬度×高度)，旁通洞尺寸7.3 m×7.05 m(寬度×高度)。隧洞均為城門洞型，主旁通洞以45°角度、半徑30 m平順相交。檢修洞與旁通洞間距為13.25 m。主洞噴混厚度為120 mm，φ22隨機砂漿錨桿長度L=3 m。交叉段噴混厚度為150 mm，φ22砂漿錨桿長度L=4.5 m，間、排距1.5 m。檢修洞段噴混厚度為150 mm，φ22砂漿錨桿L=4.5 m，間、排距1.2 m。旁通洞噴混厚度為120 mm，φ22隨機砂漿錨桿長度L=3 m?，F(xiàn)場開挖及支護順序為：主洞段-交叉段-檢修洞段-旁通洞段。隧洞處于泥盆系凝灰質砂巖及華力西黑云母花崗巖中，圍巖整體穩(wěn)定性好，地質提供資料判定此處為Ⅱ類圍巖。

2 計算模型

考慮隧洞分步開挖及支護等過程，采用Midas GTS NX建立三維模型。為了模型與現(xiàn)場實際更接近，根據(jù)有限元模型建模范圍由相關文獻可知，約5倍隧洞洞徑以外的圍巖對于引水隧洞的影響基本可忽略不計[1-2]，因此本文計算圍巖區(qū)域選擇100 m×85 m范圍內(nèi)建模計算。外圍巖體均為Ⅱ類圍巖，巖體采用摩爾-庫倫彈塑性模型，噴混采用彈性結構模型，實體網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格型式。計算工況為主洞及旁通洞分步開挖、支護工程圍巖及支護應力及位移變化。初始狀態(tài)是指隧洞所在的地質區(qū)域未受到人工擾動之前就已客觀存在的狀態(tài)，包括自重應力場和構造應力場，其中以自重應力場為主。隧洞開挖后，一次支護及時施作。見圖1。

圖1 主洞、檢修洞及旁通洞空間位置示意圖

3 計算參數(shù)

見表1、表2。

表1 噴混材料參數(shù)

表2 圍巖力學參數(shù)

4 計算分析

根據(jù)現(xiàn)場實際開挖順序(主洞段-交叉段-檢修洞段-旁通洞段)模擬，施加重力作用后，對模型施加邊界條件，利用軟件對初始應力場位移清零。再利用GTS NX中激活與鈍化網(wǎng)格模擬現(xiàn)場開挖及施工一次支護過程。模擬的基本思路是：開挖部分的巖體鈍化，同時激活相應支護單元。根據(jù)分步開挖圍巖及一次支護共同作用時應力釋放，最終得到各施工工況應力及位移變化。見圖2-圖5。

圖2-圖5為隧洞分步開挖隧洞圍巖位移分布云圖。從圖2-圖5可知，隧洞交叉口處及檢修洞大斷面頂部圍巖豎向沉降較大，此處極易出現(xiàn)應力集中，建議此處鋼拱架應適當加密且施工期間應加強該處監(jiān)測頻次。

交叉口處隧洞底板均有不同程度隆起，特別是施工交叉口處，隧洞底隆起較明顯。隧洞斷面變化處圍巖位移分步出現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，建議施工大斷面掌子面時應將頂拱及側墻處錨桿加密且加長，加強該處監(jiān)測頻次。

圖2 主洞段開挖工況位移圖

圖3 交叉段開挖工況位移圖

圖4 檢修洞段開挖工況位移圖

圖5 旁通洞段開挖工況位移圖

圖6-圖9為隧洞分步開挖隧洞一次支護應力云圖。

圖6 主洞段開挖工況應力云圖

圖7 交叉段開挖工況應力云圖

圖8 檢修洞段開挖工況應力云圖

圖9 旁通洞段開挖工況應力云圖

從圖6-圖9可知，隧洞交叉口處及檢修洞大斷面頂部一次支護應力較大，且此處大位移分布區(qū)域較大、分布線發(fā)生較大變化，這可能導致此區(qū)域巖石表層圈發(fā)生錯動，出現(xiàn)局部塌方現(xiàn)象。施工時應加強該處一次支護強度，建議此處加密鋼拱架設置，遠離交叉口主洞及旁通洞應力分布基本相同，底板處應力相對較大[3]。

5 結 論

1) 本工程開挖及支護方案可行，穩(wěn)定后一次支護應力在局部出現(xiàn)應力集中，需加強現(xiàn)場監(jiān)測。洞頂豎向最大變形量不超過9.65 mm。

2) 本工程擬定開挖先后順序合理，檢修洞和旁通洞洞凈間距為13.25 m，滿足設計要求。

3) 大斷面及隧洞交叉口處開挖支護是一個施工環(huán)節(jié)多、程序嚴謹?shù)膹碗s過程，在施工中應科學選擇合理的施工順序，制定完善的支護方案。