(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

1 工程背景

遼寧省觀音閣水庫(kù)輸水工程是自遼寧省本溪縣的觀音閣水庫(kù)庫(kù)區(qū)自流引水，經(jīng)過(guò)輸水管線及隧洞，將水引到本溪市的一項(xiàng)大型引水工程，工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為125萬(wàn)m3/d[1]。工程主要建筑物包括取水頭部、輸水隧洞、電站、輸水管道、配水站及分支管線等工程，工程等別為Ⅱ等[2]。該工程輸水線路總長(zhǎng)度為80.73km，其中包括38.86km的管線以及41.70km的輸水洞。輸水主干線均布置在本溪市太子河南側(cè)。輸水工程二標(biāo)段地層主要為泥巖類(lèi)地層、砂巖地層以及砂巖和泥巖互層地層，地質(zhì)環(huán)境較差。特別是樁號(hào)7+231～7+485.028段圍巖屬于Ⅴ類(lèi)圍巖，隧洞開(kāi)挖后極易產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)D壓變形，進(jìn)而誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞乃至洞室坍塌等重大工程問(wèn)題。參考朱安龍等學(xué)者的研究結(jié)論，針對(duì)上述施工段建議采用讓壓支護(hù)體系[3]。本次研究試圖通過(guò)模型計(jì)算的方式，分析不同的讓壓點(diǎn)與讓壓量對(duì)輸水隧洞圍巖和結(jié)構(gòu)的影響，以獲取最佳支護(hù)參數(shù)組合，保證輸水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

2 計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 計(jì)算斷面的選擇

為了研究最佳支護(hù)參數(shù)，需要依照最不利原則進(jìn)行研究斷面的選取，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮其支護(hù)作用，保障工程施工安全?；谏鲜龇治?，研究中結(jié)合工程的實(shí)際情況，選取屬于Ⅴ2類(lèi)圍巖的CX7+324斷面作為研究斷面，該斷面在輸水隧洞嚴(yán)重?cái)D壓變形段的埋深最大，變形最為嚴(yán)重，該斷面的埋深為53.45m。

2.2 模型的建立

為了探討輸水隧洞強(qiáng)支護(hù)條件下的最佳支護(hù)厚度，本次研究采用巖土工程計(jì)算領(lǐng)域常用的FLAC3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[4]。結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，本次模型的計(jì)算區(qū)域從拱頂豎直向上取30m；從拱底向下取30m[5-6]；為了充分研究輸水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的空間效應(yīng)，根據(jù)輸水隧洞的尺寸，確定計(jì)算模型的縱向長(zhǎng)度為12m。

2.3 計(jì)算參數(shù)

由于CX7+324斷面部位的輸水隧洞圍巖屬于Ⅴ2類(lèi)圍巖，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，同時(shí)結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定計(jì)算參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算工況

為了探究嚴(yán)重?cái)D壓變形下輸水隧洞讓壓支護(hù)方案，本次研究主要探究不同讓壓點(diǎn)和讓壓量對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)受力的變形與分布特征，結(jié)合讓壓支護(hù)領(lǐng)域的研究成果以及研究斷面的具體參數(shù)[7-8]，設(shè)計(jì)不同的讓壓點(diǎn)和讓壓量并進(jìn)行組合，獲得四種工況(見(jiàn)表2)。

表2 模擬計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 讓壓支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖位移場(chǎng)的影響

利用構(gòu)建的模型對(duì)四種工況下的圍巖位移場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得不同工況下的豎向位移和水平位移云圖(見(jiàn)圖1～圖6)。鑒于工況4中的計(jì)算結(jié)果不收斂，因此不予討論。由圖可知，輸水隧洞的位移變形規(guī)律在各個(gè)工況下呈現(xiàn)出基本相似的特征：在輸水隧洞開(kāi)挖之后，隧洞周?chē)膰鷰r在應(yīng)力荷載作用下會(huì)發(fā)生向心收斂，圍巖發(fā)生收斂變形，并主要表現(xiàn)為輸水隧洞拱頂部位的沉降變形以及拱底部位的向上隆起。隧洞開(kāi)挖之后的最大豎向位移主要出現(xiàn)在拱頂部位，最大水平收斂則發(fā)生在隧洞的邊墻部位，豎向變形要明顯大于水平收斂。

圖1 工況1豎向位移云圖

圖2 工況2豎向位移云圖

圖3 工況3豎向位移云圖

圖4 工況1水平收斂云圖

圖5 工況2水平收斂云圖

圖6 工況3水平收斂云圖

為了進(jìn)一步研究和比較隧洞位移規(guī)律和特征，計(jì)算不同工況下圍巖變形情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，在工況1～工況3條件下，隧洞拱頂?shù)某两滴灰屏糠謩e為211mm、290.3mm和280mm；隧洞拱底的隆起位移量分別為106.4mm、105.3mm和105.4mm。由此可見(jiàn)，在讓壓支護(hù)條件下，不同圍巖讓壓支護(hù)參數(shù)組合主要影響拱頂?shù)呢Q向位移變形，也就是沉降變形，對(duì)拱底影響并不明顯。從水平位移變形來(lái)看，研究斷面拱肩在工況1至工況3條件下的水平收斂值分別為170mm、156.1mm和188.6mm；研究斷面邊墻在工況1～工況3條件下的水平收斂值分別為310.8mm、363.2mm和358.6mm；研究斷面拱腳在工況1～工況3條件下的水平收斂值分別為209.4mm、358.6mm和211.2mm。由此可見(jiàn)，在讓壓支護(hù)條件下，不同的讓壓點(diǎn)和讓壓量組合對(duì)隧洞邊墻的水平位移存在較大影響，而對(duì)拱腳處的水平位移變形影響并不明顯。

工況2的拱頂沉降變形量與邊墻水平位移量分別比工況1增加了38%和17%，由此可見(jiàn)，如果其他條件相同，增加讓壓量會(huì)造成輸水隧洞圍巖位移量的明顯增加，而拱頂?shù)呢Q向位移變形增加幅度更大。工況1和工況3對(duì)比，兩者的讓壓量相同，讓壓點(diǎn)不同，工況3的拱頂沉降變形量與邊墻水平位移量分別比工況1增加了33%和17%，由此可見(jiàn)，在其他條件相同的情況下，增加初始讓壓點(diǎn)的位置，會(huì)使輸水隧洞圍巖的位移變形增加，特別是隧洞拱頂部位的變形幅度更大，進(jìn)而使圍巖變形能獲得比較充分的釋放。

對(duì)三種不同工況的綜合對(duì)比顯示，讓壓點(diǎn)與讓壓量之和越大，輸水隧洞的圍巖變形量越大，圍巖變形釋放的形變能量也越多，總體而言，工況1條件下的圍巖變形量最小，在控制輸水隧洞圍巖變形方面效果更為理想。對(duì)工況3而言，由于該工況下的圍巖變形量最大，可以使圍巖形變能量獲得充分釋放。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變形計(jì)算結(jié)果

3.2 讓壓支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的影響

根據(jù)相關(guān)研究成果，最小主應(yīng)力是影響輸水隧洞圍巖結(jié)構(gòu)安全的重要因素，在工程開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中必須要予以重視。因此，本次研究利用構(gòu)建的模型對(duì)工況1～工況3條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，獲得最小主應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖7～圖9)。由圖可知，在三種不同計(jì)算工況下，計(jì)算斷面在開(kāi)挖初支后處于受壓狀態(tài)。其中，隧洞拱頂部位的最小主應(yīng)力值最小，而隧洞邊墻部位支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的最小主應(yīng)力值最大。從不同工況的對(duì)比來(lái)看，工況1、工況2和工況3的最小主應(yīng)力值分別為9.86MPa、6.69MPa和7.45MPa。由此可見(jiàn)，工況2條件下圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的最小主應(yīng)力值最小，說(shuō)明圍巖的變形荷載最小，工況1條件下圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的最小主應(yīng)力值最大，說(shuō)明圍巖的變形荷載最大，也就是圍巖變形釋放的變形能最多。

工況1和工況2對(duì)比，兩者的讓壓量不同，工況2的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力比工況1減少了32%。由此可見(jiàn)，如果讓壓點(diǎn)相同，讓壓量的增大可以使輸水隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載變小，從而使更多的圍巖形變能量得到釋放。工況1和工況3對(duì)比，兩者的讓壓量相同，讓壓點(diǎn)不同，工況3的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力比工況1減小了24.40%。由此可見(jiàn)，在其他條件相同的情況下，增加起始讓壓點(diǎn)距離，有助于輸水隧洞圍巖形變能釋放，進(jìn)而減小初支結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力，有利于提高支護(hù)效果。

三種不同工況的綜合對(duì)比顯示，工況1條件下的圍巖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載的應(yīng)力值最大；工況2最小，有助于輸水隧洞圍巖形變能的釋放，提高支護(hù)效果。

圖7 工況1最小主應(yīng)力云圖

圖8 工況2最小主應(yīng)力云圖

圖9 工況3最小主應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

本文以觀音閣輸水工程為例，利用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)該工程輸水隧洞軟巖嚴(yán)重?cái)D壓變形段的最佳讓壓支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，獲得如下結(jié)論：對(duì)于擠壓程度嚴(yán)重的軟巖輸水隧洞，運(yùn)用FLAC3D 建立計(jì)算模型對(duì)讓壓支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可以為相關(guān)工程設(shè)計(jì)研究提供思路和方法；讓壓支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖位移場(chǎng)影響的計(jì)算結(jié)果顯示，工況1條件下的圍巖變形量最小，在控制輸水隧洞圍巖變形方面效果更為理想，對(duì)工況3而言，由于該工況下的圍巖變形量最大，可以使圍巖形變能量獲得充分釋放；讓壓支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的影響計(jì)算結(jié)果顯示，工況2條件下的圍巖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載的應(yīng)力最小，有助于輸水隧洞圍巖形變能的釋放，提高支護(hù)效果。

綜合計(jì)算結(jié)果，在工況2條件下，隧洞圍巖的形變能量可以獲得充分釋放，有助于提高輸水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的初期支護(hù)效果，因此，建議10cm+10cm讓壓點(diǎn)與起始讓壓量組合。