淺埋水工隧道支護(hù)方案對比研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.023

摘" 要：淺埋水工隧道的建設(shè)對于現(xiàn)代城市發(fā)展具有戰(zhàn)略價(jià)值，對其支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究在隧道的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及使用壽命上均具有重要意義。該文以信陽市某淺埋水工隧道項(xiàng)目為例，擬定4種不同工況，通過 FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對其中一段隧道進(jìn)行支護(hù)方案對比分析。結(jié)果表明，工況3滿足工程安全性要求，且具有較高的經(jīng)濟(jì)適用性，研究結(jié)果可為相關(guān)水工隧道施工建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道；水工隧道；數(shù)值模擬；支護(hù)方案；優(yōu)選

中圖分類號：U455.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0091-04

Abstract： The construction of shallow hydraulic tunnel is of strategic value for the development of modern city， and the research on its supporting structure is of great significance in the safety， stability， economy and service life of the tunnel. In this paper， taking a shallow hydraulic tunnel project in Xinyang City as an example， four different working conditions are drawn up， and the support schemes of one section of the tunnel are compared and analyzed by FLAC3D numerical simulation software. The results show that Working Condition 3 meets the safety requirements of the project and has high economic applicability， and the research results can provide reference for the construction of relevant hydraulic tunnels.

Keywords： shallow tunnel; hydraulic tunnel; numerical simulation; support scheme; optimization

隨著我國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，淺埋水工隧道的建設(shè)需求越來越大，對其展開研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。早期國內(nèi)已有學(xué)者對隧道相關(guān)理論及現(xiàn)場實(shí)踐等方面進(jìn)行研究，在隧道施工方法[1-2]、穩(wěn)定性方面[3]等研究均取得一定成果。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬被運(yùn)用于隧道研究中[4-6]，大大提高了相關(guān)研究的深度與精度。截至今日，我國有關(guān)隧道的研究已取得較大成果，但針對水工隧道的研究較少，缺乏系統(tǒng)性的研究和規(guī)劃，較難滿足工程建設(shè)發(fā)展需要。

本文以信陽市某淺埋水工隧道項(xiàng)目為例，利用Flac3d數(shù)值模擬軟件對其水工隧道的支護(hù)方案進(jìn)行研究，通過多工況下的數(shù)值模擬和綜合評價(jià)分析，確定安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益綜合優(yōu)越的支護(hù)施工方案，旨在為水工隧道施工建設(shè)提供參考。

1" 模型設(shè)置

1.1" 工程概況

隧道洞身段圍巖類別以Ⅰ類、Ⅳ類為主，少量為Ⅴ類，洞身段Ⅱ類圍巖約占70.13%，Ⅰ類圍巖約占2.02%，Ⅳ類圍巖約占26.10%，Ⅴ類圍巖約占1.75%。

1.2" 模型創(chuàng)建

采用 FLAC3D 軟件進(jìn)行建模，截取隧道中經(jīng)過Ⅴ級圍巖和斷層破碎帶等特殊地層的地段進(jìn)行隧道支護(hù)研究，研究區(qū)域隧道埋深約為18～20 m，隧道寬6.1 m，高6.045 m，其圍巖主要以花崗巖為主，隧道所穿巖層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。根據(jù)以往的隧道力學(xué)資料，基于應(yīng)盡量減少“邊界效應(yīng)”影響的原則，模型邊界橫向上一般取隧道中心到左右邊界的距離約3～5倍洞徑，而模型下邊界到洞底的距離為2～3倍洞徑，即建模時(shí)橫向以隧道中線位置向兩側(cè)各取25 m、豎向取仰拱底部以下30 m、豎向上邊界為地表，沿隧道縱向取30 m。網(wǎng)格基本為1.5 m×1.5 m×1.5 m的六面體網(wǎng)格，隧道附近加密處理，隧道模型共包括實(shí)體單元42 238個(gè)，節(jié)點(diǎn)33 461個(gè)，創(chuàng)建模型如圖1所示。

巖層參數(shù)由實(shí)測值取得，見表1。

1.3" 設(shè)計(jì)工況

為研究不同支護(hù)方案對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，擬定4種工況進(jìn)行對比分析，工況1為不施加支護(hù)方案；工況2支護(hù)參數(shù)較施工支護(hù)方案更加輕便；工況3為施工支護(hù)方案；工況4支護(hù)參數(shù)較施工支護(hù)方案更加保守。

根據(jù)施工方案和SL 27—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》，隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方案為初期支護(hù)在拱頂位置設(shè)水泥砂漿錨桿和進(jìn)行噴射混凝土。以下為各工況的支護(hù)參數(shù)和計(jì)算參數(shù)，見表2和表3。

對于不同支護(hù)工況的隧道，通過隧道位移、支護(hù)錨桿所受應(yīng)力、噴混的位移來進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)選合理的支護(hù)工法。

2" 結(jié)果分析

2.1" 不同材料參數(shù)位移

通過軟件模擬，可以得到4種工況對應(yīng)的位移云圖（圖2）。

由圖2可知，工況1隧道位移最大處在拱頂位置，位移隨拱頂位置向兩側(cè)減小，隧道側(cè)壁和拱腳位置為水平變形位移。由于隧道埋深較淺且開挖洞徑較大，隧道拱頂上方地表發(fā)生豎向位移，兩側(cè)也有水平位移。工況2、工況3和工況4為不同支護(hù)參數(shù)下圍巖位移情況，工況2位移最大位置依舊在拱頂位置，水平位移最大在側(cè)壁位置；工況3、4位移拱較小，不同工況下位移對比見表4。

由模擬結(jié)果可知，工況1模擬結(jié)果可以得出每段隧道開挖后圍巖位移較大，圍巖無法自穩(wěn)，需要進(jìn)行支護(hù)。工況3和工況4相較于文獻(xiàn)[7]所得結(jié)果接近，支護(hù)是圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，支護(hù)參數(shù)優(yōu)選應(yīng)以支護(hù)結(jié)構(gòu)不變?yōu)榍疤?，選用不同材料參數(shù)進(jìn)行模擬比較，選出最佳方案。工況2所用支護(hù)材料約束作用過小，工況3、4約束作用達(dá)到預(yù)期效果，適合工程開挖支護(hù)。

綜上，隧道開挖需要對圍巖進(jìn)行必要的支護(hù)措施，并且對于實(shí)際工程要選擇更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用的支護(hù)方案，所以工況3所用材料適合隧道開挖支護(hù)。

2.2" 錨桿應(yīng)力分析

由于工況1無支護(hù)措施，故僅對工況2、3、4進(jìn)行分析比較，以工況2為例，錨桿應(yīng)力如圖3所示。

由圖3可知，該工況下錨桿受力分布規(guī)律為：單根錨桿受力兩端小中間大，整體則是隧道兩端錨桿受力較中間錨桿受力大，錨桿最大受力為50 MPa。工況3、4錨桿受力分布規(guī)律與工況2相同，其中，工況3最大受力為22.2 MPa，工況4最大受力為15.7 MPa，除工況2外都沒有超過文獻(xiàn)[7]中23 MPa的錨桿受力安全范圍。

從數(shù)值中能看出工況2錨桿所受應(yīng)力過大，超過錨桿極限應(yīng)力范圍；工況3和工況4錨桿應(yīng)力較工況2有極大改善，并且根據(jù)文獻(xiàn)[7]可得工況3、4中錨桿所受應(yīng)力未超過錨桿極限應(yīng)力范圍。根據(jù)實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)實(shí)用需求，更適合選用工況3。

2.3" 隧道噴混位移分析

由于工況1無支護(hù)措施，故僅對工況2、3、4進(jìn)行分析比較，以工況2為例，噴混位移如圖4所示。

由圖4可知，工況2位移主要發(fā)生在拱頂、拱腳和側(cè)壁位置，其中，拱頂主要為豎向位移，拱腳部位由于應(yīng)力集中，豎向和水平位移皆有，側(cè)壁主要為水平位移，工況3、4位移規(guī)律與工況2相同，各工況隧洞位移總結(jié)見表5，與文獻(xiàn)[7]結(jié)果相比，各工況模擬結(jié)果均在安全范圍內(nèi)，符合實(shí)際工程的現(xiàn)狀。

由表5可知，工況2位移最大，其變形位移對隧道的安全性造成影響，無法滿足實(shí)際工程的需求。工況3、4滿足工程安全需求，且位移相接近，考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，工況3所用材料適用于實(shí)際工程需要。

2.4" 合理性分析

通過隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，通過不同隧道段所處地層和斷面類型，設(shè)置典型剖面位移監(jiān)測布置圖（圖5）。

多點(diǎn)位移計(jì)通過靠近隧道一側(cè)為測點(diǎn)1依次布置到測點(diǎn)4進(jìn)行監(jiān)測圍巖位移，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表6。

由表6可知，數(shù)值模擬隧道圍巖變形位移結(jié)果與現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果總體上誤差小于10%，且誤差率隨離隧道的距離增大而增大，這是由于圍巖距離隧道越遠(yuǎn)變形越小，而多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)存在人工放置和儀器本身的客觀誤差等影響因素，導(dǎo)致其在變形較大區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果會更為準(zhǔn)確。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性，可為現(xiàn)場施工提供參考。

3" 結(jié)論

本文通過對隧道支護(hù)措施采用不同的材料參數(shù)，分為4種工況，通過4種工況模擬結(jié)果和參考文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析支護(hù)結(jié)構(gòu)對隧道圍巖變形的影響，并優(yōu)選出最佳支護(hù)方案?？偨Y(jié)出以下結(jié)論。

①由隧道位移分析可知，工況1隧道無法自穩(wěn)，需通過支護(hù)結(jié)構(gòu)限制圍巖變形。工況2支護(hù)無法滿足要求，工況3、4所用支護(hù)能夠達(dá)到圍巖穩(wěn)定的效果，根據(jù)實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)實(shí)用需求，選用工況3較為合適。②由錨桿應(yīng)力分析可知，各工況下錨桿應(yīng)力均體現(xiàn)為兩端小，中間大的情況，且兩端大多為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力。比較文獻(xiàn)[7]可知工況2錨桿應(yīng)力超過極限應(yīng)力，工況3、4錨桿應(yīng)力在極限應(yīng)力范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)實(shí)用需求，選用工況3較為合適。③由噴混位移分析可知，主要位移均在拱頂、拱腳和側(cè)壁位置。比較文獻(xiàn)[7]，工況2位移較大，會對隧道圍巖安全造成影響，工況3、4位移均滿足工程安全需求，且位移程度相似，根據(jù)實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)實(shí)用需求，選用工況3較為合適。④通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果對比，可知兩者誤差小于10%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性。

通過上述總結(jié)分析，在支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的對比中，工況3所使用材料更符合實(shí)際工程的需求，結(jié)果可以為水工隧道施工建設(shè)提供參考。

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作者簡介：羅飛（1998-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)樗姽こ獭?/p>