输水隧洞严重挤压变形段让压支护体系关键设计参数研究

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程背景

辽宁省观音阁水库输水工程是自辽宁省本溪县的观音阁水库库区自流引水，经过输水管线及隧洞，将水引到本溪市的一项大型引水工程，工程设计输水规模为125万m3/d[1]。工程主要建筑物包括取水头部、输水隧洞、电站、输水管道、配水站及分支管线等工程，工程等别为Ⅱ等[2]。该工程输水线路总长度为80.73km，其中包括38.86km的管线以及41.70km的输水洞。输水主干线均布置在本溪市太子河南侧。输水工程二标段地层主要为泥岩类地层、砂岩地层以及砂岩和泥岩互层地层，地质环境较差。特别是桩号7+231～7+485.028段围岩属于Ⅴ类围岩，隧洞开挖后极易产生严重挤压变形，进而诱发支护结构损坏乃至洞室坍塌等重大工程问题。参考朱安龙等学者的研究结论，针对上述施工段建议采用让压支护体系[3]。本次研究试图通过模型计算的方式，分析不同的让压点与让压量对输水隧洞围岩和结构的影响，以获取最佳支护参数组合，保证输水隧洞支护结构的安全性与经济性。

2 计算模型的构建

2.1 计算断面的选择

为了研究最佳支护参数，需要依照最不利原则进行研究断面的选取，以保证支护结构可以发挥其支护作用，保障工程施工安全。基于上述分析，研究中结合工程的实际情况，选取属于Ⅴ2类围岩的CX7+324断面作为研究断面，该断面在输水隧洞严重挤压变形段的埋深最大，变形最为严重，该断面的埋深为53.45m。

2.2 模型的建立

为了探讨输水隧洞强支护条件下的最佳支护厚度，本次研究采用岩土工程计算领域常用的FLAC3D有限元软件进行数值模拟计算[4]。结合相关研究成果和工程经验，本次模型的计算区域从拱顶竖直向上取30m；从拱底向下取30m[5-6]；为了充分研究输水隧洞开挖过程中的空间效应，根据输水隧洞的尺寸，确定计算模型的纵向长度为12m。

2.3 计算参数

由于CX7+324断面部位的输水隧洞围岩属于Ⅴ2类围岩，通过实验室试验的方法，同时结合相关工程经验数据，确定计算参数(见表1)。

表1 围岩力学参数

2.4 计算工况

为了探究严重挤压变形下输水隧洞让压支护方案，本次研究主要探究不同让压点和让压量对输水隧洞结构受力的变形与分布特征，结合让压支护领域的研究成果以及研究断面的具体参数[7-8]，设计不同的让压点和让压量并进行组合，获得四种工况(见表2)。

表2 模拟计算工况设计

3 计算结果分析

3.1 让压支护参数对围岩位移场的影响

利用构建的模型对四种工况下的围岩位移场进行模拟计算，获得不同工况下的竖向位移和水平位移云图(见图1～图6)。鉴于工况4中的计算结果不收敛，因此不予讨论。由图可知，输水隧洞的位移变形规律在各个工况下呈现出基本相似的特征：在输水隧洞开挖之后，隧洞周围的围岩在应力荷载作用下会发生向心收敛，围岩发生收敛变形，并主要表现为输水隧洞拱顶部位的沉降变形以及拱底部位的向上隆起。隧洞开挖之后的最大竖向位移主要出现在拱顶部位，最大水平收敛则发生在隧洞的边墙部位，竖向变形要明显大于水平收敛。

图1 工况1竖向位移云图

图2 工况2竖向位移云图

图3 工况3竖向位移云图

图4 工况1水平收敛云图

图5 工况2水平收敛云图

图6 工况3水平收敛云图

为了进一步研究和比较隧洞位移规律和特征，计算不同工况下围岩变形情况，计算结果见表3。由表3可知，在工况1～工况3条件下，隧洞拱顶的沉降位移量分别为211mm、290.3mm和280mm；隧洞拱底的隆起位移量分别为106.4mm、105.3mm和105.4mm。由此可见，在让压支护条件下，不同围岩让压支护参数组合主要影响拱顶的竖向位移变形，也就是沉降变形，对拱底影响并不明显。从水平位移变形来看，研究断面拱肩在工况1至工况3条件下的水平收敛值分别为170mm、156.1mm和188.6mm；研究断面边墙在工况1～工况3条件下的水平收敛值分别为310.8mm、363.2mm和358.6mm；研究断面拱脚在工况1～工况3条件下的水平收敛值分别为209.4mm、358.6mm和211.2mm。由此可见，在让压支护条件下，不同的让压点和让压量组合对隧洞边墙的水平位移存在较大影响，而对拱脚处的水平位移变形影响并不明显。

工况2的拱顶沉降变形量与边墙水平位移量分别比工况1增加了38%和17%，由此可见，如果其他条件相同，增加让压量会造成输水隧洞围岩位移量的明显增加，而拱顶的竖向位移变形增加幅度更大。工况1和工况3对比，两者的让压量相同，让压点不同，工况3的拱顶沉降变形量与边墙水平位移量分别比工况1增加了33%和17%，由此可见，在其他条件相同的情况下，增加初始让压点的位置，会使输水隧洞围岩的位移变形增加，特别是隧洞拱顶部位的变形幅度更大，进而使围岩变形能获得比较充分的释放。

对三种不同工况的综合对比显示，让压点与让压量之和越大，输水隧洞的围岩变形量越大，围岩变形释放的形变能量也越多，总体而言，工况1条件下的围岩变形量最小，在控制输水隧洞围岩变形方面效果更为理想。对工况3而言，由于该工况下的围岩变形量最大，可以使围岩形变能量获得充分释放。

表3 各监测点位移变形计算结果

3.2 让压支护参数对支护结构应力场的影响

根据相关研究成果，最小主应力是影响输水隧洞围岩结构安全的重要因素，在工程开挖支护过程中必须要予以重视。因此，本次研究利用构建的模型对工况1～工况3条件下支护结构最小主应力进行计算，获得最小主应力云图(见图7～图9)。由图可知，在三种不同计算工况下，计算断面在开挖初支后处于受压状态。其中，隧洞拱顶部位的最小主应力值最小，而隧洞边墙部位支护结构受到的最小主应力值最大。从不同工况的对比来看，工况1、工况2和工况3的最小主应力值分别为9.86MPa、6.69MPa和7.45MPa。由此可见，工况2条件下围岩支护结构所受的最小主应力值最小，说明围岩的变形荷载最小，工况1条件下围岩支护结构所受的最小主应力值最大，说明围岩的变形荷载最大，也就是围岩变形释放的变形能最多。

工况1和工况2对比，两者的让压量不同，工况2的初期支护结构最小主应力比工况1减少了32%。由此可见，如果让压点相同，让压量的增大可以使输水隧洞初期支护结构承受的荷载变小，从而使更多的围岩形变能量得到释放。工况1和工况3对比，两者的让压量相同，让压点不同，工况3的初期支护结构最小主应力比工况1减小了24.40%。由此可见，在其他条件相同的情况下，增加起始让压点距离，有助于输水隧洞围岩形变能释放，进而减小初支结构承受的应力，有利于提高支护效果。

三种不同工况的综合对比显示，工况1条件下的围岩初期支护结构承载的应力值最大；工况2最小，有助于输水隧洞围岩形变能的释放，提高支护效果。

图7 工况1最小主应力云图

图8 工况2最小主应力云图

图9 工况3最小主应力云图

4 结 论

本文以观音阁输水工程为例，利用数值模拟计算的方法对该工程输水隧洞软岩严重挤压变形段的最佳让压支护参数进行研究，获得如下结论：对于挤压程度严重的软岩输水隧洞，运用FLAC3D 建立计算模型对让压支护参数进行数值模拟研究，可以为相关工程设计研究提供思路和方法；让压支护参数对围岩位移场影响的计算结果显示，工况1条件下的围岩变形量最小，在控制输水隧洞围岩变形方面效果更为理想，对工况3而言，由于该工况下的围岩变形量最大，可以使围岩形变能量获得充分释放；让压支护参数对支护结构应力场的影响计算结果显示，工况2条件下的围岩初期支护结构承载的应力最小，有助于输水隧洞围岩形变能的释放，提高支护效果。

综合计算结果，在工况2条件下，隧洞围岩的形变能量可以获得充分释放，有助于提高输水隧洞开挖过程中的初期支护效果，因此，建议10cm+10cm让压点与起始让压量组合。