張立聰

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 工程背景

阜新市引白水源二期工程的水源地為白石水庫(kù)，其壩址以上流域面積17 649 km2，設(shè)計(jì)庫(kù)容為16.45億m3，工程的包含長(zhǎng)度分別為85 km和72 km 的輸水隧洞和輸水管線，建成之后可以進(jìn)一步優(yōu)化白石水庫(kù)的水資源利用，緩解阜新市的生產(chǎn)生活用水緊張狀況。引白水源二期工程輸水隧洞的地質(zhì)情況整體良好。在工程2標(biāo)段的Y5+308～Y6+144洞段的圍巖整體性較差。前期的地質(zhì)勘查結(jié)果顯示，該洞段的圍巖以粉質(zhì)砂巖為主，巖體跟本身的質(zhì)量明顯較差，存在遇水軟化問(wèn)題。同時(shí)，該洞段的埋深相對(duì)較大，巖層中存在較高的含水量，由于巖體的裂隙中存在較多的巖屑與水的混合物，而砂巖本身遇水容易發(fā)生膨脹，遇空氣容易氧化，因此巖體的抗壓強(qiáng)度值相對(duì)較低[1]。為了保證隧洞的施工和運(yùn)行安全，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計(jì)[2]。在工程開(kāi)挖支護(hù)施工過(guò)程中，拱腰和邊墻部位出現(xiàn)縱向和環(huán)向裂縫，為防止初支系統(tǒng)坍塌，增設(shè)臨時(shí)鋼拱架，在其施工完成后不久，還出現(xiàn)程度較大的收斂變形，造成部分部位出現(xiàn)初支混凝土掉塊、大面積剝落以及鋼拱架彎曲等問(wèn)題。

2 讓壓鋼拱架設(shè)計(jì)

軟巖輸水隧洞圍巖的大變形具有變形量大和時(shí)間累進(jìn)性的特點(diǎn)，因此使用傳統(tǒng)的剛性拱架進(jìn)行圍巖支護(hù)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的變形壓力，而壓力荷載一旦超過(guò)拱架本身的承載能力，均會(huì)存在坍塌的風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，針對(duì)大變形軟巖輸水隧洞的支護(hù)，應(yīng)該充分考慮采用允許圍巖產(chǎn)生較大變形，同時(shí)具有一定的伸縮性的噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)[4]。基于上述思路，在不大幅減小鋼拱架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，允許其具有讓壓功能，從而能夠?qū)⑽盏膰鷰r中積聚的能量傳遞到外界，提供圍巖穩(wěn)定變形所需要的恒定阻力。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，此次研究中在普通鋼拱架上設(shè)置讓壓裝置[5]。該裝置由螺栓、工字鋼以及恒阻板構(gòu)成，在工字鋼的翼緣上設(shè)計(jì)有能夠穿過(guò)螺栓的孔洞，在恒阻板上設(shè)計(jì)有能夠穿過(guò)螺栓的兩道腰形孔，利用螺栓穿過(guò)腰形孔和螺栓孔就可以將恒阻板以及工字鋼連接成一個(gè)讓壓裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 讓壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

讓壓鋼拱架的支護(hù)效果和讓壓裝置的位置具有密切關(guān)系，在實(shí)際工程應(yīng)用中，支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)受到水平和豎直方向應(yīng)力的作用而產(chǎn)生變形，因此考慮鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要荷載，在左邊墻、右邊墻以及拱頂部位設(shè)置三個(gè)讓壓裝置，將傳統(tǒng)的鋼拱架改造為讓壓鋼拱架。

3 MIDAS/GTS有限元計(jì)算模型

3.1 模型的構(gòu)建

MIDAS/GTS是主要用于地下洞室工程圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分析而開(kāi)發(fā)的一款大型通用有限元分析軟件。該軟件可以通過(guò)強(qiáng)度折減法實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的自動(dòng)識(shí)別，將圍巖簡(jiǎn)化為單個(gè)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖應(yīng)力、位移特征的準(zhǔn)確分析。因此，此次研究利用MIDAS/GTS有限元軟件，以研究洞段的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)構(gòu)建有限元模型，對(duì)傳統(tǒng)鋼拱架和讓壓鋼拱架的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析[6]。

研究洞段的斷面為馬蹄型，尺寸為3.8 m×3.3 m。根據(jù)相關(guān)研究成果，當(dāng)圍巖和洞心的距離大于5倍洞徑時(shí)，其影響系數(shù)不大于1%?？紤]運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和便捷性，研究中選擇6倍洞徑確定計(jì)算范圍和模型的大小[7]。模型的左右邊界距中線均為26 m，上下均取25 m，沿壩軸線方向設(shè)置20個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺。利用六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，最終獲得11 034個(gè)模型單元，12 267個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有限元模型示意圖如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

3.2 邊界條件與模型參數(shù)

在有限元模型計(jì)算過(guò)程中，僅考慮隧洞上部圍巖自重，不考慮圍巖應(yīng)力、地震荷載以及層間水的影響[8]。對(duì)模型的底面施加全位移約束，對(duì)模型的兩側(cè)施加水平位移約束，模型的頂面為自由邊界條件。根據(jù)研究洞段的實(shí)際情況，確定如表1所示的模型材料計(jì)算參數(shù)。由于研究洞段圍巖的屬于單一巖性的水平巖層，因此在開(kāi)挖過(guò)程中的彎折變形主要分布于圍巖的底部和拱頂，而兩側(cè)的圍巖變形量相對(duì)較小。同時(shí)，為了減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，取隧洞模型開(kāi)挖方向上7.5 m 附近斷面進(jìn)行分析。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)無(wú)支護(hù)工況、剛性拱架支護(hù)工況與讓壓鋼拱架支護(hù)工況下的圍巖位移進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取圍巖典型部位的位移值，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可以看出，選擇不同的支護(hù)方式，并不會(huì)對(duì)圍巖的整體變形產(chǎn)生明顯的影響，在研究洞段的開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖的位移變形主要集中于隧洞圍巖的拱頂和底板部位，其余部位的位移量明顯偏小。究其原因，主要是在研究洞段開(kāi)挖之后，拱頂和底板部位的巖石層處于明顯的懸空狀態(tài)，當(dāng)作用到隧洞圍巖的最大主應(yīng)力與巖層大角度相交的情況下，上述兩個(gè)部位的巖層更容易向臨空面產(chǎn)生彎折變形，隨著變形量的不斷積累，臨空面的巖層首先產(chǎn)生拉裂破壞，最終導(dǎo)致隧洞圍巖的坍塌破壞。在此次研究中引入相對(duì)變形率的概念，也就是不同支護(hù)方式下的位移和無(wú)支護(hù)圍巖位移量的比值。顯然，相對(duì)變形率越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)圍巖變形的能力就越強(qiáng)。釋放的能量越多，就越有利于圍巖的穩(wěn)定性。從表中的結(jié)果可以看出，剛性支護(hù)的相對(duì)變形率明顯偏小，約在19%～27%之間，讓壓鋼拱架的相對(duì)變形率明顯偏大，在46%～80%之間。由此可見(jiàn)，采用讓壓鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠使圍巖中積聚的能量得到更多的釋放，從而避免鋼拱架過(guò)早被壓壞，比采取剛性拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)更有利于研究洞段的穩(wěn)定。

表2 各工況位移計(jì)算結(jié)果

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)無(wú)支護(hù)工況、剛性拱架支護(hù)工況與讓壓鋼拱架支護(hù)工況下的圍巖應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取圍巖典型部位的應(yīng)力值，結(jié)果如表3所示。由表中的結(jié)果可以看出，兩種不同支護(hù)方式的軸向應(yīng)力分布規(guī)律存在十分明顯的差異性。其中，剛性拱架的最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在右拱腳的部位，讓壓鋼拱架的最大軸向應(yīng)力則出現(xiàn)在右邊墻的讓壓裝置部位。對(duì)同一位置而言，剛性拱架的軸向應(yīng)力值均顯著偏大。兩者之間的最大軸向應(yīng)力差約為225 MPa左右。同時(shí)，在采用剛性拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下，其軸向應(yīng)力的最大值達(dá)到了297.77 MPa，已經(jīng)超過(guò)鋼拱架材料215 MPa的屈服極限，說(shuō)明剛性拱架已經(jīng)失去必要的支護(hù)能力；采用讓壓鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下，其最大軸向應(yīng)力值為95.24 MPa，明顯小于鋼拱架材料的屈服極限，同時(shí)由相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度儲(chǔ)備，可以繼續(xù)給圍巖提供支護(hù)力。

表3 軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

5 結(jié) 語(yǔ)

此次研究以阜新市引白水源二期工程輸水隧洞軟巖洞段為例，以剛?cè)岵?jì)的支護(hù)理念為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種安裝讓壓裝置的讓壓鋼拱架，并將其用于隧洞圍巖的支護(hù)系統(tǒng)，利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行對(duì)比分析，獲得讓壓鋼拱架在研究洞段的支護(hù)效果，可以為背景工程的施工和建設(shè)提供有益的支護(hù)借鑒。當(dāng)然，此次研究也有諸多不足之處，主要是軟巖隧洞大變形的機(jī)制和力學(xué)模式復(fù)雜多樣，此次研究主要將讓壓鋼拱架引入軟巖隧洞支護(hù)，但是沒(méi)有對(duì)順層滑移、傾倒變形以及塑性擠出變形等變形機(jī)制對(duì)支護(hù)效果的影響進(jìn)行深入研究，而需要在以后進(jìn)行深入的分析，以獲取跟更為全面的研究成果。