输水隧洞软岩洞段让压钢拱架工程应用研究

张立聪

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程背景

阜新市引白水源二期工程的水源地为白石水库，其坝址以上流域面积17 649 km2，设计库容为16.45亿m3，工程的包含长度分别为85 km和72 km 的输水隧洞和输水管线，建成之后可以进一步优化白石水库的水资源利用，缓解阜新市的生产生活用水紧张状况。引白水源二期工程输水隧洞的地质情况整体良好。在工程2标段的Y5+308～Y6+144洞段的围岩整体性较差。前期的地质勘查结果显示，该洞段的围岩以粉质砂岩为主，岩体跟本身的质量明显较差，存在遇水软化问题。同时，该洞段的埋深相对较大，岩层中存在较高的含水量，由于岩体的裂隙中存在较多的岩屑与水的混合物，而砂岩本身遇水容易发生膨胀，遇空气容易氧化，因此岩体的抗压强度值相对较低[1]。为了保证隧洞的施工和运行安全，结合相关工程经验，拟采用锚网喷支护设计[2]。在工程开挖支护施工过程中，拱腰和边墙部位出现纵向和环向裂缝，为防止初支系统坍塌，增设临时钢拱架，在其施工完成后不久，还出现程度较大的收敛变形，造成部分部位出现初支混凝土掉块、大面积剥落以及钢拱架弯曲等问题。

2 让压钢拱架设计

软岩输水隧洞围岩的大变形具有变形量大和时间累进性的特点，因此使用传统的刚性拱架进行围岩支护，往往会产生较大的变形压力，而压力荷载一旦超过拱架本身的承载能力，均会存在坍塌的风险[3]。因此，针对大变形软岩输水隧洞的支护，应该充分考虑采用允许围岩产生较大变形，同时具有一定的伸缩性的喷锚支护设计[4]。基于上述思路，在不大幅减小钢拱架结构强度的情况下，允许其具有让压功能，从而能够将吸收的围岩中积聚的能量传递到外界，提供围岩稳定变形所需要的恒定阻力。

为了达到上述目标，此次研究中在普通钢拱架上设置让压装置[5]。该装置由螺栓、工字钢以及恒阻板构成，在工字钢的翼缘上设计有能够穿过螺栓的孔洞，在恒阻板上设计有能够穿过螺栓的两道腰形孔，利用螺栓穿过腰形孔和螺栓孔就可以将恒阻板以及工字钢连接成一个让压装置，其结构示意图如图1所示。

图1 让压装置结构示意图

让压钢拱架的支护效果和让压装置的位置具有密切关系，在实际工程应用中，支护结构会受到水平和竖直方向应力的作用而产生变形，因此考虑钢拱架支护结构的主要荷载，在左边墙、右边墙以及拱顶部位设置三个让压装置，将传统的钢拱架改造为让压钢拱架。

3 MIDAS/GTS有限元计算模型

3.1 模型的构建

MIDAS/GTS是主要用于地下洞室工程围岩和支护结构应力、位移分析而开发的一款大型通用有限元分析软件。该软件可以通过强度折减法实现对围岩的自动识别，将围岩简化为单个的节点，实现对围岩应力、位移特征的准确分析。因此，此次研究利用MIDAS/GTS有限元软件，以研究洞段的地质资料为基础构建有限元模型，对传统钢拱架和让压钢拱架的支护效果进行对比分析[6]。

研究洞段的断面为马蹄型，尺寸为3.8 m×3.3 m。根据相关研究成果，当围岩和洞心的距离大于5倍洞径时，其影响系数不大于1%。考虑运算结果的准确性和便捷性，研究中选择6倍洞径确定计算范围和模型的大小[7]。模型的左右边界距中线均为26 m，上下均取25 m，沿坝轴线方向设置20个开挖进尺。利用六面体八节点单元进行模型的网格单元划分，最终获得11 034个模型单元，12 267个计算节点，有限元模型示意图如图2所示。

图2 有限元模型示意图

3.2 边界条件与模型参数

在有限元模型计算过程中，仅考虑隧洞上部围岩自重，不考虑围岩应力、地震荷载以及层间水的影响[8]。对模型的底面施加全位移约束，对模型的两侧施加水平位移约束，模型的顶面为自由边界条件。根据研究洞段的实际情况，确定如表1所示的模型材料计算参数。由于研究洞段围岩的属于单一岩性的水平岩层，因此在开挖过程中的弯折变形主要分布于围岩的底部和拱顶，而两侧的围岩变形量相对较小。同时，为了减少边界效应对计算结果的影响，取隧洞模型开挖方向上7.5 m 附近断面进行分析。

表1 模型材料计算参数

4 结果与分析

4.1 位移计算结果与分析

利用构建的有限元模型对无支护工况、刚性拱架支护工况与让压钢拱架支护工况下的围岩位移进行模拟计算，从计算结果中提取围岩典型部位的位移值，结果如表2所示。由表中的结果可以看出，选择不同的支护方式，并不会对围岩的整体变形产生明显的影响，在研究洞段的开挖过程中，围岩的位移变形主要集中于隧洞围岩的拱顶和底板部位，其余部位的位移量明显偏小。究其原因，主要是在研究洞段开挖之后，拱顶和底板部位的岩石层处于明显的悬空状态，当作用到隧洞围岩的最大主应力与岩层大角度相交的情况下，上述两个部位的岩层更容易向临空面产生弯折变形，随着变形量的不断积累，临空面的岩层首先产生拉裂破坏，最终导致隧洞围岩的坍塌破坏。在此次研究中引入相对变形率的概念，也就是不同支护方式下的位移和无支护围岩位移量的比值。显然，相对变形率越大，支护结构适应围岩变形的能力就越强。释放的能量越多，就越有利于围岩的稳定性。从表中的结果可以看出，刚性支护的相对变形率明显偏小，约在19%～27%之间，让压钢拱架的相对变形率明显偏大，在46%～80%之间。由此可见，采用让压钢拱架支护结构时，能够使围岩中积聚的能量得到更多的释放，从而避免钢拱架过早被压坏，比采取刚性拱架支护结构更有利于研究洞段的稳定。

表2 各工况位移计算结果

4.2 应力计算结果

利用构建的有限元模型对无支护工况、刚性拱架支护工况与让压钢拱架支护工况下的围岩应力进行模拟计算，从计算结果中提取围岩典型部位的应力值，结果如表3所示。由表中的结果可以看出，两种不同支护方式的轴向应力分布规律存在十分明显的差异性。其中，刚性拱架的最大轴向应力出现在右拱脚的部位，让压钢拱架的最大轴向应力则出现在右边墙的让压装置部位。对同一位置而言，刚性拱架的轴向应力值均显著偏大。两者之间的最大轴向应力差约为225 MPa左右。同时，在采用刚性拱架支护结构的情况下，其轴向应力的最大值达到了297.77 MPa，已经超过钢拱架材料215 MPa的屈服极限，说明刚性拱架已经失去必要的支护能力；采用让压钢拱架支护结构的情况下，其最大轴向应力值为95.24 MPa，明显小于钢拱架材料的屈服极限，同时由相当的强度储备，可以继续给围岩提供支护力。

表3 轴向应力计算结果 MPa

5 结 语

此次研究以阜新市引白水源二期工程输水隧洞软岩洞段为例，以刚柔并济的支护理念为依据，设计了一种安装让压装置的让压钢拱架，并将其用于隧洞围岩的支护系统，利用数值模拟的方法进行对比分析，获得让压钢拱架在研究洞段的支护效果，可以为背景工程的施工和建设提供有益的支护借鉴。当然，此次研究也有诸多不足之处，主要是软岩隧洞大变形的机制和力学模式复杂多样，此次研究主要将让压钢拱架引入软岩隧洞支护，但是没有对顺层滑移、倾倒变形以及塑性挤出变形等变形机制对支护效果的影响进行深入研究，而需要在以后进行深入的分析，以获取跟更为全面的研究成果。