胡輝東

摘要：根據(jù)某引水隧道，采用數(shù)值方法模擬臺階開挖法的施工過程。結(jié)論表明：采用短臺階開挖法沉降和變形量小，穩(wěn)定性高;開挖后要緊跟支護(hù)結(jié)構(gòu)，利用支護(hù)結(jié)構(gòu)承受很大部分的圍巖壓力，為二襯的施作和發(fā)揮作用提供時(shí)機(jī)。

關(guān)鍵詞：ADINA;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性

近來，水利水電建設(shè)的不斷發(fā)展，引水隧洞作為一種重要的地下工程建筑物，隧洞開挖支護(hù)措施合理性直接關(guān)系到隧洞施工的安全。研究引水隧洞在開挖支護(hù)過程中以及支護(hù)完成后的穩(wěn)定性[1-7]，對了解支護(hù)效果和改進(jìn)支護(hù)措施有一定的意義。隧洞開挖引起的圍巖卸荷[8]對圍巖的劣化作用不容忽視。引水隧洞開挖后應(yīng)力重新分布，變形量大，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、塌方造成人員傷亡和設(shè)備損失，不僅延誤工期、增加造價(jià)，還造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此，合理的襯砌支護(hù)方案就顯得尤為重要。隨著技術(shù)條件的完善，周澤林等[9]、賈劍青等[10]運(yùn)用FLAC3D隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本文擬采用數(shù)值模擬的方法，建立有限元分析模型，模擬短臺階開挖法對某引水隧道開挖，揭示開挖過程中圍巖的受力，位移情況以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，為實(shí)際施工提供一定參考。

一、數(shù)值分析模型

（一）模型概況

結(jié)合某引水隧道相關(guān)資料建立該引水隧道模型。為了模擬現(xiàn)場施工情況，本文采用ADINA建立三維隧道模型。

模型上表面距離地面為50m，模型的邊界尺寸取約為隧道高度的5倍。這里取長為115.0m，高為120.0m。隧道為城門洞型斷面，由上半部分半圓弧加上下半部分正方形組成，圓弧半徑為3.6米，正方形邊長為7.2米，徑向洞身長度為16m。模型左右的邊界約束水平方向，底邊為全約束。計(jì)算中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌和錨桿均采用彈性模型。整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為22469，單元數(shù)為29746。

洞身長度為16m，取4m為一個(gè)開挖進(jìn)尺。本文采用短臺階的方法，分兩步開挖。其施工過程為：第1步是先開挖城門洞上部圓弧形部分的巖體，并對頂部施加錨桿支護(hù)和混凝土襯砌;第2步開挖下部矩形部分巖體，施加兩側(cè)和底部襯砌。完成第一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺后，進(jìn)行第二個(gè)開挖進(jìn)尺，第二個(gè)開挖進(jìn)尺按上述的步驟進(jìn)行。

（二）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模擬隧道開挖和支護(hù)過程時(shí)，采用的土體密度為2680kg·m-3，彈性模量為12.5GPa，泊松比為0.25，內(nèi)摩擦角為42°，粘聚力為1.6MPa。

對于支護(hù)結(jié)構(gòu)。襯砌采用混凝土材料，設(shè)計(jì)厚度為60cm，混凝土強(qiáng)度等級為C25?；炷敛牧厦芏葹?400kg·m-3，彈性模量為28GPa，泊松比為0.167;錨筋密度為7800kg·m-3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。

二、結(jié)果分析

（一）圍巖應(yīng)力分析

伴隨著開挖工序進(jìn)行，拉應(yīng)力產(chǎn)生，圍巖受到的擾動增大，豎向應(yīng)力的影響范圍逐漸擴(kuò)大;當(dāng)拱頂開挖后，豎向應(yīng)力全部為壓應(yīng)力，隧道頂部和底部的壓應(yīng)力較大，出現(xiàn)的豎向最大壓應(yīng)力在頂部，最大壓應(yīng)力值為5.9Mpa。支護(hù)結(jié)構(gòu)和襯砌結(jié)構(gòu)施做后，隧道最大應(yīng)力為3.6MPa。

（二）圍巖位移分析

每一級臺階開挖，位移都隨之而變化而逐漸擴(kuò)大，支護(hù)結(jié)構(gòu)施做后，圍巖位移影響范圍會相應(yīng)減小，當(dāng)最后一個(gè)開挖進(jìn)尺完成后，底部位移的最大值為0.75mm。圍巖各部分位移都不大，證明隧道錨筋支護(hù)和混凝土襯砌較為合理。

（三）支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

錨桿承受的最大拉應(yīng)力為15.4MPa，最小拉應(yīng)力為2.2Mpa。襯砌頂部最大位移0.58mm，底部最大位移為0.75mm?；炷烈r砌頂部向下變形，而底部則向上變形，說明襯砌有效的抵抗了較大的圍巖變形，襯砌作用明顯。

綜上所述，在隧道施工過程中，及時(shí)施做錨桿、襯砌，能夠抑制開挖后的應(yīng)力擴(kuò)散。

三、結(jié)論

根據(jù)以上的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）隧洞的開挖破壞了圍巖的原始應(yīng)力場，可能會影響隧洞施工安全，因此開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，防止發(fā)生失穩(wěn)。為減少開挖對圍巖的擾動，開挖后應(yīng)跟緊支護(hù)。

2）錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受很大一部分的圍巖壓力，為襯砌的施作和發(fā)揮作用提供了時(shí)機(jī)。

3）支護(hù)措施承受部分圍巖壓力，圍巖應(yīng)力得到改善，隧洞圍巖變形減小，襯砌對圍巖變形起明顯的限制作用，保證隧洞的施工安全。今后應(yīng)加強(qiáng)對引水隧洞開挖支護(hù)應(yīng)力變形進(jìn)行數(shù)值模擬，提前分析圍巖應(yīng)力變形情況，采取相應(yīng)工程措施，避免在施工過程中圍巖失穩(wěn)、塌方造成人員傷亡和設(shè)備損失，因此隧洞開挖支護(hù)應(yīng)力變形數(shù)值模擬在工程建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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