引水隧洞支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

陳 麗

(沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110036)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，新建了大量的基礎(chǔ)設(shè)施，引水隧洞作為解決水資源不平衡問題的重要工程，被大力新建。引水隧洞周邊圍巖的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響了引水隧洞整體結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。為保證引水隧洞穩(wěn)定性，合理的支護(hù)類型和結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，如初期支護(hù)、二次襯砌等。

眾多學(xué)者針對(duì)引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的問題開展了一系列的研究，并取得了豐碩成果。吳世勇等[1]基于錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)引水隧洞施工過程中圍巖穩(wěn)定性的影響，通過對(duì)比圍巖的受力變形，明確了該工程合理的支護(hù)方案和參數(shù)。徐干成[2]以某引水隧洞工程為研究對(duì)象，基于黏彈性邊界元法預(yù)測(cè)了引水隧洞采用錨噴支護(hù)下圍巖的受力變形，系統(tǒng)地對(duì)相關(guān)敏感參數(shù)的影響進(jìn)行分析，評(píng)估了引水隧洞的圍巖穩(wěn)定性。胡云進(jìn)等[3]通過有限元軟件建立三維引水隧洞耦合模型，分析了外壓作用下內(nèi)水外滲的滲流-應(yīng)力-開裂，進(jìn)一步研究了不同壓力下的圍巖穩(wěn)定性。彭守拙等[4]以某壓力作用的引水隧洞工程為研究對(duì)象，分析了引水隧洞施工過程中混凝土襯砌產(chǎn)生的裂縫規(guī)律，進(jìn)一步研究了圍巖的接觸條件。閆治國(guó)等[5]基于某采用盾構(gòu)施工的引水隧洞工程，研究了引水隧洞施工過程中管片接頭的受力變形，系統(tǒng)研究了不同部位管片的接頭力學(xué)與變形模型。王俊淞等[6]以某采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)的引水隧洞為研究對(duì)象，采用離心模型試驗(yàn)研究了雙層襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。

文章以某引水隧洞工程為研究對(duì)象，通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)比不同二襯襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形。

1 工程概況

某引水隧洞工程穿越斷層破碎帶，隧洞沿線的主要地層為志留系茂縣群第四巖組，由石英云母片巖、長(zhǎng)英質(zhì)變粒巖等組成。該引水隧洞所處地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，有寬度為0.2～1.1m的斷層破碎帶，強(qiáng)卸荷帶水平深度為2.2～21.2m，其垂直深度不大于18m。弱卸荷帶主要為沿順層發(fā)育，水平深度為27.3～39.8m，其垂直深度范圍為28.8～37.5m。

2 三維數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)選取

依據(jù)工程背景和設(shè)計(jì)方案，利用三維有限元軟件建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。引水隧洞的直徑為16m，剖面圖顯示模型由內(nèi)到外分別為開挖的隧洞、厚度為1.2m強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土、厚度為0.3m強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土、厚度為3m的強(qiáng)卸載區(qū)域、厚度為10m的強(qiáng)卸載區(qū)域、斷層破碎帶、圍巖。

圖1 三維數(shù)值模型圖

文章選擇有限元軟件中內(nèi)置的CVISC模型來模擬流變。其中EM為彈性模量，EK為黏彈性模量，ηM為Maxwell黏性系數(shù)，ηK為Kelvin黏性系數(shù)，當(dāng)模型中應(yīng)力小于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型的長(zhǎng)期屈服應(yīng)力時(shí)，元件的應(yīng)力應(yīng)為0，其本構(gòu)方程為

(1)

當(dāng)模型中應(yīng)力不小于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型的長(zhǎng)期屈服應(yīng)力時(shí)，元件處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，其本構(gòu)方程為

(2)

表1給出了不同應(yīng)力釋放率對(duì)應(yīng)的變形模量，表2給出了引水隧洞開挖過程中圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，表3給出了引水隧洞開挖過程中圍巖的流變參數(shù)。

表1 不同應(yīng)力釋放率對(duì)應(yīng)的變形模量

表2 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

表3 圍巖的流變參數(shù)

2.2 隧洞支護(hù)方案

引水隧洞采用噴射混凝土加錨桿作為初期支護(hù)，在隧洞掘進(jìn)過程中支護(hù)需及時(shí)[7-8]。選用C30等級(jí)的混凝土進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，二次襯砌厚度為1.2m，選擇不同時(shí)機(jī)進(jìn)行施工。圖2給出了支護(hù)布置圖。采用各向同性的彈性模型模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)，具體的，用實(shí)體單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)，用軟件內(nèi)置的Cable SEL單元來模擬錨桿結(jié)構(gòu)。

圖2 支護(hù)布置圖

依據(jù)文章研究的內(nèi)容，在初襯支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖3所示。初襯支護(hù)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)點(diǎn)分別定義為a、b、c、d，二次襯砌結(jié)構(gòu)的觀測(cè)點(diǎn)分別定義為A、B、C、D。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)的布置圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 二次支護(hù)時(shí)機(jī)指標(biāo)

為了更好地分析圍巖的變形規(guī)律，選擇隧洞拱底和拱頂?shù)南鄬?duì)位移作為考量二次支護(hù)時(shí)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，記相對(duì)位移為Δab。首先找出相對(duì)位移Δab跟隨應(yīng)力釋放率的變化規(guī)律，具體的流程如下：

(1)在隧洞初襯支護(hù)完畢，施工二次襯砌前，應(yīng)力釋放率以步長(zhǎng)5%從0%逐漸增大到100%(其中100%代表不施工二次襯砌)，觀察30天內(nèi)不同應(yīng)力釋放率下觀測(cè)點(diǎn)a、b、c、d的位移。

(2)依據(jù)觀測(cè)點(diǎn)a、b、c、d的位移，繪制出相對(duì)位移Δab隨著應(yīng)力釋放率的變化曲線，如圖4所示。當(dāng)應(yīng)力釋放率達(dá)到100%時(shí)，相對(duì)位移Δab為301.1mm，將此值定義為Δabmax。將Δabmax的20%、40%、60%、80%選為二次不同支護(hù)時(shí)機(jī)，對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移分別為60.2、120.4、180.7、240.9mm。

圖4 相對(duì)位移Δab隨著應(yīng)力釋放率的變化曲線

(3)將上述相對(duì)位移帶入圖3，可以得到4個(gè)相對(duì)位移所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力釋放率分別為26%、47%、68%和89%。將這4個(gè)應(yīng)力釋放率帶入表1并進(jìn)行插值，得到對(duì)應(yīng)的變形模量，將其依次輸入模型進(jìn)行模擬。

3.2 長(zhǎng)期運(yùn)行過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

引水隧洞在運(yùn)營(yíng)過程中，對(duì)上述4個(gè)支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行流變計(jì)算50年，圖5給出了觀測(cè)點(diǎn)A、B、C、D在0～50年過程中的變形曲線。從圖中可以看出，雖然30天內(nèi)施做二次襯砌后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值有所區(qū)別，但在不同支護(hù)時(shí)機(jī)下，引水隧洞變形在5年時(shí)間左右基本可以收斂，引水隧洞變形在10年時(shí)間左右完全收斂。此外，隨著二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)在最大相對(duì)位移的占比越大，二次襯砌支護(hù)后引水隧洞收斂變形愈小?？梢?，二次襯砌支護(hù)前適度能有效限制二次襯砌所導(dǎo)致的變形。并且，引水隧洞流變變形在二次襯砌支護(hù)后經(jīng)歷兩個(gè)階段：衰減流變和穩(wěn)定流變。

圖5 觀測(cè)點(diǎn)A、B、C、D在0～50年過程中的變形曲線

3.3 二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)確定

將不同階段下支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形值和長(zhǎng)期應(yīng)力值作為指標(biāo)，深入研究二次襯砌時(shí)機(jī)的影響。表4和表5分別給出了不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期下襯砌結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力值(運(yùn)營(yíng)時(shí)間分別為1年、5年、10年、50年)。

表4 不同運(yùn)營(yíng)時(shí)機(jī)下襯砌結(jié)構(gòu)的變形 單位：mm

表5 不同運(yùn)營(yíng)時(shí)機(jī)下襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力 單位：MPa

從表中可以看出，當(dāng)運(yùn)營(yíng)時(shí)期相同時(shí)，不同支護(hù)時(shí)期下，二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)在最大相對(duì)位移的占比越大，觀測(cè)點(diǎn)的變形和應(yīng)力值越小。此外，當(dāng)二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)相同時(shí)，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)期的增長(zhǎng)，二次襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期變形和應(yīng)力會(huì)增加，當(dāng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間為5年時(shí)，引水隧洞變形基本收斂；當(dāng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間達(dá)到10年時(shí)，引水隧洞變形完全收斂。當(dāng)二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)為20%Δabmax時(shí)，支護(hù)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力峰值大于等級(jí)為C30混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)分別為40%Δabmax、60%Δabmax、80%Δabmax時(shí)，支護(hù)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力峰值小于等級(jí)為C30混凝土的抗壓強(qiáng)度?；谙茸尯罂冈瓌t，當(dāng)二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)為80%Δabmax時(shí)，其支護(hù)效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

以某引水隧洞工程為研究對(duì)象，分析了引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)比不同二襯襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形。不同支護(hù)時(shí)機(jī)下，引水隧洞變形在5年時(shí)間左右基本可以收斂，引水隧洞變形在10年時(shí)間左右完全收斂。二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)在最大相對(duì)位移的占比越大，二次襯砌支護(hù)后引水隧洞收斂變形愈小。二次襯砌支護(hù)前適度能有效限制二次襯砌所導(dǎo)致的變形?；谙茸尯罂冈瓌t，當(dāng)二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)為80%Δabmax時(shí)，其支護(hù)效果最優(yōu)。文章只對(duì)軟巖流變參數(shù)中的一種進(jìn)行分析，實(shí)際上不同區(qū)域的流變參數(shù)也有區(qū)別，后續(xù)可將模型分區(qū)設(shè)置流變參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。