輸水隧洞穿越斷層破碎帶小導(dǎo)管注漿效果研究

高興輝

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300）

1 工程背景

觀音閣輸水工程是遼寧省“十三五”期間建設(shè)的大型引水工程項目，其設(shè)計輸水規(guī)模為125萬m3/d，工程建成后可以有效緩解本溪市的工業(yè)和生活用水緊張狀況[1]。輸水工程主要建筑物包括輸水隧洞、輸水管道等，其主要建筑物等級為2 級，次要建筑物等級為3～4 級。該工程輸水隧洞一標(biāo)段穿越小西溝洞段的地層主要以沉積巖為主，且斷裂構(gòu)造發(fā)育，規(guī)模較大的斷層有5 條。其中，F(xiàn)80斷層位于謝家街一帶，不僅寬度較大，且斷層部位的巖體較為破碎，其巖性主要以第四系泥巖和砂巖為主，且分布有數(shù)量不等的泥囊，給隧洞的開挖和支護(hù)提出了較高的要求，一旦施工不當(dāng)，極易誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞乃至坍塌等工程事故和問題[2]。針對這一情況，工程項目部結(jié)合前期的地質(zhì)勘查資料，在經(jīng)過充分論證后，擬采用全斷面超前小導(dǎo)管注漿法加固地層[3]。此次研究以上述工程背景為依托，利用數(shù)值模擬的方式探討超前小導(dǎo)管長度對注漿加固效果的影響，以便為背景工程的設(shè)計和施工提供有益的支持和借鑒。

2 FLAC3D 有限元軟件

2.1 軟件簡介

FLAC3D 是美國ITASCA 公司推出的一款大型通用有限元軟件，是當(dāng)前巖土工程領(lǐng)域最重要的數(shù)值模擬計算方法之一。該軟件是FLAC 二維有限元程序在三維空間的拓展，其功能更加完善和強(qiáng)大，可以用于三維巖土體和其他材料的力學(xué)特性，特別是材料達(dá)到屈服極限情況下的塑性流變模擬，可以廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價、支護(hù)設(shè)計評價、地下洞室、施工設(shè)計等多個領(lǐng)域。因此，此次研究選擇FLAC3D 軟件進(jìn)行背景工程有限元計算模型的構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

研究洞段采用三臺階開挖施工工法，通過縮小開挖斷面，實現(xiàn)對隧洞圍巖天然承載力的有效保護(hù)，以達(dá)到抑制圍巖變形、防止塌方、快速掘進(jìn)的目的[4]。結(jié)合研究需要和工程實際，在模型構(gòu)建中作出如下假定：將圍巖視為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；假定地下水不存在對巖體的軟化作用；對于圍巖巖體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；不考慮圍巖巖體構(gòu)造地應(yīng)力的影響，通過上覆巖體自重對隧道埋深進(jìn)行模擬。

在模型構(gòu)建過程中，利用MI-DAS GTS 建立模型網(wǎng)格，然后導(dǎo)入FLAC3D 軟件形成模型的主體。理論和試驗證明，在地下洞室工程開挖支護(hù)過程中，其影響范圍一般為洞室結(jié)構(gòu)直徑的3～5倍，在距離洞室中心5 倍洞徑部位的應(yīng)力應(yīng)變的變化不超過3%，可以忽略其影響[5]，因此，研究中以5 倍洞徑確定模型的計算范圍。為了減少其他變量可能產(chǎn)生的影響，斷層破碎帶的走向與隧洞縱向垂直。在計算過程中采用靜力模式，其中水壓采用梯度靜水壓力施加在圍巖破碎帶的上表面。圍巖和注漿加固區(qū)采用實體單元模擬，斷層破碎帶的錨桿采用Cable 單元模擬，鋼拱架采用復(fù)合材料參數(shù)和復(fù)合鋼拱架力學(xué)特征的Shell 單元模擬，超前小導(dǎo)管采用梁單元模擬[6]。整個模型劃分為15 564 個網(wǎng)格單元，12 269 個節(jié)點(diǎn)，有限元模型示意圖見圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計算參數(shù)

對計算模型設(shè)置位移、應(yīng)力邊界條件。模型的上下邊界施加豎向位移約束，模型的左右邊界施加水平位移約束，模型的前后邊界施加縱向位移約束[7]。在模型的上邊界施加等效于塌落隧道拱高的巖土體自重，作為模型的應(yīng)力邊界條件[8]。

模型材料的物理力學(xué)參數(shù)會對計算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，在此次研究中，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況和前期的地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)，確定模型材料物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計算方案

隧洞等地下洞室工程施工中，掌子面的先行變形一般會占到總位移量的30%左右，而采用超前小導(dǎo)管注漿可以對上述位移發(fā)揮良好的控制效果，此次研究主要針對超前小導(dǎo)管的長度選擇進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)研究成果，小導(dǎo)管的長度一般控制在3.5～6.0 m，因此，此次研究中設(shè)置3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 m 等6 種長度進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 拱頂位移

由于超前小導(dǎo)管具有支護(hù)加固作用，拱頂位移與沒有加固時會有明顯的下降，但是不同長度的小導(dǎo)管其支護(hù)效果也有一定的差異。此次研究利用已構(gòu)建的有限元計算模型，對不同超前小導(dǎo)管長度下的拱頂位移量進(jìn)行計算，拱頂位移量隨超前小導(dǎo)管長度的變化曲線見圖2。由圖2 可以看出，隨著超前小導(dǎo)管長度的增加，研究洞段拱頂位移量呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)。當(dāng)超前小導(dǎo)管長度小于4.5 m 時，拱頂位移量隨著超前小導(dǎo)管長度的增加而迅速減??；當(dāng)超前小導(dǎo)管長度大于4.5 m 時，拱頂位移量隨著超前小導(dǎo)管長度的增加而減小的幅度有限。從具體數(shù)據(jù)來看，當(dāng)超前小導(dǎo)管長度為4.5 m 時，其位移量為96.3 mm，與超前小導(dǎo)管長度為3.5 m 相比減小了約30.3%；當(dāng)超前小導(dǎo)管長度為6.0 m 時，其位移量為78.5 mm，與超前小導(dǎo)管長度為4.5 m 相比僅減小了約18.4%。結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性和拱頂位移量計算結(jié)果，超前小導(dǎo)管的長度以4.5 m 為宜。

圖2 拱頂位移量隨超前小導(dǎo)管長度變化曲線

3.2 掌子面擠出變形

在輸水隧洞開挖過程中，圍巖應(yīng)力在縱向范圍內(nèi)由三維狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S狀態(tài)，而隨著圍巖承載力的下降，開挖掌子面的縱向擠出變形也會迅速增大，并成為誘發(fā)塌方的主要原因。因此，研究掌子面擠出變形對圍巖穩(wěn)定性評價具有十分重要的價值。利用構(gòu)建的有限元模型對不同小導(dǎo)管長度方案下的掌子面擠出變形進(jìn)行模擬計算，由計算結(jié)果可以看出，隧洞掌子面中心部位的擠出變形最大，且兩側(cè)呈對稱分布。在計算結(jié)果中提取出掌子面擠出變形的最終變形量，繪制出掌子面擠出變形隨小導(dǎo)管長度變化曲線，見圖3。由圖3可以看出，隨著超前小導(dǎo)管長度的增加，掌子面擠出變形量呈現(xiàn)出先迅速減小后逐步趨于穩(wěn)定的變化趨勢。當(dāng)超前小導(dǎo)管的長度小于4.5 m 時，擠出變形量減小比較迅速；當(dāng)超前小導(dǎo)管大于4.5 m時，擠出變形量的減小幅度有限。由此可見，掌子面擠出變形量的控制是多種工程手段綜合作用的結(jié)果，大幅增加小導(dǎo)管的長度并不能獲得更為理想的控制效果。綜合工程投資和掌子面擠出變形控制效果，超前小導(dǎo)管的長度應(yīng)該以4.5 m 為宜。

圖3 掌子面擠出變形量隨超前小導(dǎo)管長度變化曲線

3.3 掌子面應(yīng)力

超前小導(dǎo)管的支護(hù)作用可以改變圍巖的受力特征，研究中利用構(gòu)建的有限元模型對不同超前小導(dǎo)管長度方案下的掌子面垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力進(jìn)行計算，在計算結(jié)果中提出垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的最大值，繪制出掌子面垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力隨超前小導(dǎo)管長度的變化曲線，見圖4 和圖5。由圖4，5 可以看出，掌子面的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均隨著超前小導(dǎo)管長度的增加而迅速增長，之后增速逐漸變小的變化特征。這說明，隨著超前小導(dǎo)管長度的增加，其對圍巖的控制作用逐漸減弱，應(yīng)力的松弛效應(yīng)逐漸凸顯出來。因此，超前小導(dǎo)管支護(hù)可以有效控制掌子面前方巖土體的壓力狀態(tài)，更有利于圍巖的安全和穩(wěn)定，從而保證施工安全。從圖4，5 可以看出，當(dāng)超前小導(dǎo)管的長度小于4.5 m 時，掌子面垂直和水平應(yīng)力的增長比較迅速；當(dāng)超前小導(dǎo)管大于4.5 m 時，掌子面垂直和水平應(yīng)力的增長較為有限。

圖4 掌子面垂直應(yīng)力隨超前小導(dǎo)管長度變化曲線

圖5 掌子面水平應(yīng)力隨超前小導(dǎo)管長度變化曲線

4 結(jié)語

超前小導(dǎo)管加固是地下洞室工程施工中的重要工程技術(shù)手段，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計對提高工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。此次研究利用數(shù)值模擬的方式，分析了超前小導(dǎo)管長度對輸水隧洞穿越斷層破碎帶注漿效果的影響。結(jié)合計算結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議背景工程采用長4.5 m 的超前小導(dǎo)管。研究結(jié)果對背景工程的設(shè)計施工和相關(guān)類似工程建設(shè)具有重要意義和作用。當(dāng)然，此次研究中考慮的影響因素較少，在今后的尺寸效應(yīng)研究中應(yīng)考慮節(jié)理、裂隙的不同寬度、間距對圍巖的位移、應(yīng)力影響，以獲得更為科學(xué)和準(zhǔn)確的研究成果。