高地應(yīng)力軟巖隧洞錨桿預(yù)應(yīng)力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李芳存

（朝陽(yáng)縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122629）

0 引言

水利工程規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí)也不斷向地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜地區(qū)挺近，這給工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提出更高的要求。例如，我國(guó)的水利工程隧洞建設(shè)過(guò)程中，處于高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境的工程項(xiàng)目占比不斷增加。特別是高地應(yīng)力軟巖隧洞工程，往往存在較大的圍巖變形、支護(hù)變形、破損以及間隙入侵等現(xiàn)象，如果施工設(shè)計(jì)和處理不當(dāng)，就會(huì)給施工作業(yè)造成無(wú)盡的麻煩[1]。因此，高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境就成為水利工程中地下洞室工程建設(shè)中需要面對(duì)和解決的問(wèn)題。另一方面，隨著支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，支護(hù)理念也在不斷轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新，并主要表現(xiàn)為傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù)方式。在主動(dòng)支護(hù)方式中，錨桿支護(hù)是最常見(jiàn)的方式，并在淺埋隧洞支護(hù)領(lǐng)域有著成熟的理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但是目前的錨桿設(shè)計(jì)并不適合大埋深高地應(yīng)力軟巖地質(zhì)環(huán)境，不滿(mǎn)足上述隧洞的支護(hù)要求，因此需要在該領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索。從當(dāng)前的工程研究來(lái)看，主要集中于錨桿的長(zhǎng)度、直徑、排距和間距等參數(shù)的優(yōu)化，對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力參數(shù)的重視不足。顯然，錨桿預(yù)應(yīng)力作為錨桿支護(hù)的重要參數(shù)，會(huì)對(duì)支護(hù)效果產(chǎn)生直接影響，是工程設(shè)計(jì)中必須要關(guān)注的重要參數(shù)。

此次研究以遼寧清河水庫(kù)第二泄洪洞開(kāi)挖支護(hù)工程為例，利用數(shù)值模擬的方式探討錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)支護(hù)效果的影響，以便為相關(guān)研究和工程設(shè)計(jì)提供有益的支持和借鑒。

1 工程概況

清河水庫(kù)位于遼寧省重要河流清河的干流上，是一座具有多種功能的綜合性大型水利樞紐工程，水庫(kù)的建成對(duì)提高當(dāng)?shù)氐姆篮樗?，保證水資源的合理利用具有重要作用[2]。清河流域在2005年8月發(fā)生了較大洪水，雖然水庫(kù)經(jīng)受住了洪水的考驗(yàn)，但是其泄洪能力不足的問(wèn)題也凸顯出來(lái)。為了提高水庫(kù)的泄洪能力，擬將清河電廠(chǎng)廢棄的回水隧洞改造為第二泄洪洞[3]。根據(jù)工程設(shè)計(jì)其全長(zhǎng)約1 800m，其洞身段為5 m×5.5m的城門(mén)洞型斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第二泄洪洞的防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇計(jì)，按照千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。其中，百年一遇洪水水位為111.46m，對(duì)應(yīng)泄流量為237m3/s，千年一遇洪水水位為112.76m，對(duì)應(yīng)泄流量為371m3/s。項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，褶皺活動(dòng)相對(duì)比較強(qiáng)烈，斷層裂隙發(fā)育，大部分洞段為高地應(yīng)力軟巖洞段，給開(kāi)挖施工和初支設(shè)計(jì)提出了較高的要求。結(jié)合工程實(shí)際，在泄洪洞開(kāi)挖過(guò)程中采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)模式，在圍巖整體性較差的部位施加鋼拱架和錨噴。

2 研究方法

2.1 研究思路和內(nèi)容

研究思路此次采用FLAC3D對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行模擬，分析錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧洞開(kāi)挖支護(hù)效果的影響，以便為背景工程的施工設(shè)計(jì)提供支持，同時(shí)也為相關(guān)類(lèi)似研究提供借鑒，基于此，以實(shí)際工程案例為背景，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，圍巖位移、圍巖應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)為參考因素。鑒于高地應(yīng)力軟巖輸水隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程中拱頂和拱肩部位對(duì)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)的影響反映較為顯著[4]，因此研究中主要針對(duì)拱頂和拱肩部位的位移和應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果探討錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)效果的影響，并對(duì)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到適用于工程實(shí)際的合理參數(shù)，達(dá)到為實(shí)際工程案例參考的目的。

2.2 數(shù)值模型的構(gòu)建

FLAC軟件是美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元仿真計(jì)算軟件[5]，F(xiàn)LAC3D有限元軟件時(shí)FLAC2D軟件的拓展和升級(jí)。由于該軟件采用了顯式拉格朗日算法以及混合-離散分區(qū)技術(shù)，因此在對(duì)三維材料進(jìn)行受力分析時(shí)并不需要構(gòu)建剛度矩陣，具有顯著的靈活性和便捷性[6]。因此，在數(shù)值模擬計(jì)算中選擇FIAC3D軟件進(jìn)行輸水隧洞的計(jì)算模型構(gòu)建。

結(jié)合清河水庫(kù)第二輸水隧洞的實(shí)際情況，特別是IV級(jí)圍巖洞段的工程地質(zhì)特點(diǎn)和支護(hù)要求，選擇SD2+143斷面進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。根據(jù)前期的工程設(shè)計(jì)，該斷面埋深為96m。由于埋深較大，因此具有較高的地應(yīng)力水平。結(jié)合相關(guān)研究成果，在地下洞室工程開(kāi)挖施工過(guò)程中，開(kāi)挖施工對(duì)圍巖的影響向四周逐漸遞減，在5倍洞徑之外的范圍可以忽略不計(jì)[7]。結(jié)合計(jì)算精度和工程實(shí)際，以開(kāi)挖洞徑的5倍確定模型的具體計(jì)算范圍。

研究中以泄洪洞斷面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以隧洞中線(xiàn)為Y軸，以指向下游的方向?yàn)檎较颍灰源怪庇赮軸的方向?yàn)閄軸，以指向右側(cè)的方向?yàn)檎较?；以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向。利用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型模擬泄洪洞的圍巖彈塑性變形，利用彈性本構(gòu)模型模擬錨桿單元[8]。在模型的網(wǎng)格剖分過(guò)程中，選擇6面體8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，并對(duì)模型的局部進(jìn)行加密處理，最終獲得12 514個(gè)網(wǎng)格單元，13 680個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 約束條件與計(jì)算參數(shù)

在模型計(jì)算過(guò)程中，選擇位移和應(yīng)力作為邊界條件，對(duì)模型的底部施加豎向位移約束，對(duì)模型的兩側(cè)施加水平位移約束，上部為自由邊界條件[9]。由于研究洞段為深埋高地應(yīng)力洞段，圍壓自重的影響不可忽視。因此，研究中結(jié)合具體的圍巖參數(shù)和地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，在模型的上邊界施加0.85 MPa的法向荷載施，用于模擬上部圍巖自重，以便使模型盡量準(zhǔn)確反映工程實(shí)際。模型材料的物理力學(xué)參數(shù)也是影響計(jì)算結(jié)果科學(xué)性和準(zhǔn)確性的重要因素。研究中以地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)[10]，確定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算

根據(jù)工程項(xiàng)目部提出的初步工程設(shè)計(jì)，錨桿采用的左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)錨桿，錨桿的直徑為22mm，長(zhǎng)度為4.5m，其橫向間距為1.2m，縱向間距為1.5m。在支護(hù)過(guò)程中首先進(jìn)行噴射混凝施工，其厚度為25cm，標(biāo)號(hào)為C25號(hào)。在支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定強(qiáng)度之后，再進(jìn)行襯砌施工，襯砌結(jié)構(gòu)為厚度50cm的C30混凝土。研究中保持錨桿的其余參數(shù)不變，對(duì) 錨 桿 分 別 施 加0kN、50kN、100kN、150kN和200kN等5種不同大小的預(yù)應(yīng)力。利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同方案下的圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)以及錨桿軸力進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 圍巖位移

在位移計(jì)算結(jié)果中提取出拱頂和拱肩為位移值，結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，泄洪洞拱頂和拱肩的各向位移均隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加而減小。這說(shuō)明，增加錨桿的預(yù)應(yīng)力值有助于控制泄洪洞圍巖位移變形。另一方面，拱頂?shù)呢Q向位移和拱肩的水平位移變化較為明顯，其余各向位移的變化量并不大。同時(shí)，拱頂?shù)呢Q向位移和拱肩的水平位移減小幅度來(lái)看，當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力從0kN增加到50kN以及從50kN增加到100kN時(shí)的減小幅度較大，再增加錨桿的預(yù)應(yīng)力，位移量的減小幅度較為有限。

表2 泄洪洞圍巖位移計(jì)算結(jié)果

3.2 應(yīng)力

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，繪制出拱頂和拱肩的應(yīng)力變化曲線(xiàn)，結(jié)果如圖2和圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，拱頂和拱肩部位的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均呈現(xiàn)出增大的變化特點(diǎn)，但是當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力大于100kN時(shí)增加的幅度極為有限。以拱頂圍巖最大主應(yīng)力來(lái)看，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力從0kN增加到100kN時(shí)，其最大主應(yīng)力由10.87MPa增加到15.45MPa，增加約42.13%；當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力從100kN增加到200kN時(shí)，其最大主應(yīng)力由15.45MPa增加到16.12MPa，增加約4.34%；當(dāng)由此可見(jiàn)，錨桿預(yù)應(yīng)力的變化對(duì)圍巖應(yīng)力存在明顯的影響，在一定范圍內(nèi)，設(shè)置較大的錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖深部應(yīng)力有利。

圖2 拱頂應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖3 拱肩應(yīng)力變化曲線(xiàn)

3.3 塑性區(qū)以及錨桿軸力

地下洞室工程開(kāi)挖施工中圍巖由于受到開(kāi)挖卸荷的影響，會(huì)在其表層一定深度范圍內(nèi)形成塑性區(qū)，并對(duì)工程的順利進(jìn)行產(chǎn)生一定程度的影響[11]。因此，塑性區(qū)的范圍也是評(píng)價(jià)開(kāi)挖支護(hù)效果的重要指標(biāo)。對(duì)塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制出如圖4所示的塑性區(qū)面積分布柱狀圖。由圖可知，圍巖的塑性區(qū)面積會(huì)隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大而減小，之后逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力小于100MPa時(shí)，減小的幅度較大，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力大于100MPa時(shí)，減小的幅度十分有限。由此可見(jiàn)，增加錨桿預(yù)應(yīng)力，有助于提高地下洞室工程圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖的承載力，但是隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加，其作用效果逐漸減小。

圖4 塑性區(qū)面積計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

此次研究以遼寧省清河水庫(kù)第二泄洪洞開(kāi)挖支護(hù)施工為背景，利用數(shù)值模擬的方法探討了錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)高地應(yīng)力軟巖泄洪洞圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）拱頂和拱肩的各向位移均隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增加而減小，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力大于100MPa時(shí)控制圍巖變形的作用極為有限。

2）錨桿預(yù)應(yīng)力的變化對(duì)圍巖應(yīng)力存在明顯的影響，設(shè)置較大的錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖深部應(yīng)力有利，但是錨桿預(yù)應(yīng)力大于100MPa時(shí)的影響作用較為有限。

3）增加錨桿預(yù)應(yīng)力，有助于提高地下洞室工程圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖的承載力，但是錨桿預(yù)應(yīng)力大于100MPa時(shí)，其作用效果逐漸減小。

4）綜合研究成果，建議在背景工程施工中選擇100MPa的錨桿預(yù)應(yīng)力值。