超前小导管施工设计参数对围岩沉降的影响分析

刘瑞强

(江西赣禹工程建设有限公司,江西 南昌 337100)

1 引 言

隧洞工程因地理位置或天气降雨等因素影响,多存在大量围岩地质问题,易发生坍塌、渗漏水、衬砌强度不足等质量问题[1],对施工安全和工程质量产生极大影响。因此,如何提高水工隧洞围岩的强度和稳定性是整个水利工程顺利实施的关键。

目前,软弱围岩超前支护的主要类型有超前小导管、超前锚杆、超前管棚、超前预注浆、掌子面全封闭等[2],其中超前小导管的施工设备最为简单,灵活性最强,且对于松散软弱岩体和含水量大的围岩,可根据具体的地质条件随时变动注浆比例和密度,适应性更强,因此广泛应用于水利调水工程和公路隧洞工程施工中。超前小导管施工示意图见图1。

图1 超前小导管施工示意图

超前小导管的外插角度、布置间距、布置范围等参数的变化都会影响最终支护效果[3]。本文以苗尾水电站的导流隧洞为例,对超前小导管的支护效果进行研究,优化设计参数,以期达到最优的支护效果。

2 模型构建

2.1 软件介绍

MIDAS GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款韩国开发的采用有限元法对岩土进行静动力分析、渗流稳定分析、应力应变分析、阶段性分析等的通用类有限元分析软件,系统可提供多个常用的本构模型,包括Duncan-Chang模型、Cambridge模型等,用户也可以自定义本构模型,实现快速建模、汉化交互式操作以及强大的三维可视化分析,是一款功能齐全、应用广泛的建模软件[4-5]。本文利用MIDAS GTS NX构建模型,对超前小导管的各参数变化进行分析。

2.2 建立数值分析模型

本文以苗尾水电站的导流隧洞为例进行建模,依据施工组织设计和勘测报告,隧道地处剥蚀丘陵地貌区,岩石裂隙节理发育,围岩稳定性较差,多为Ⅴ级围岩。导流隧洞进口为渐变形式,最大开挖断面尺寸为22.50m×21.15m(宽×高),以最大开挖断面作为典型测量断面进行计算模拟,计算模型取50m×23m×21m(长×宽×高),岩土模型取100m×60m×96m(长×宽×高)。模拟假定围岩性质单一,采用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟。超前小导管视为弹性体,初始模拟数值为直径42mm,长4.5m,外插角15°,布置间距400mm,布设范围150°。本次建模共计61589个节点,80867个单元,有限元模型图2和图3。

图2 隧洞整体网格图

图3 超前小导管模型

2.3 数值参数设定

模型中各材料的具体参数见表1。

表1 模型材料力学参数

2.4 计算方法

因为施工过程中,超前小导管的施工设备都是选择好的,常用的小导管直径为42mm,施工长度为4.5m[6],因此不对以上两项进行分析,仅从超前小导管的外插角度、布置间距、布置范围三个方面采用控制单一变量的方法,对比分析不同工况下围岩的沉降和水平位移情况,以分析各因素对支护效果的影响[7-8]。

模型初始模拟数值为直径42mm,长4.5m,外插角15°,布置间距400mm,布设范围150°。模拟工况中超前小导管外插角度取值5°～30°,布置间距取200～600m,布置范围取110°～170°。

3 计算结果与分析

3.1 管径参数分析结果

超前小导管的外插角取值范围为5°～30°,以5°为一档共取6个工况进行模拟,图4为外插角为5°和30°时的围岩沉降和水平位移云图。

图4 不同外插角时的围岩沉降和位移云图

根据模型模拟计算结果,得到不同外插角情况下的隧洞围岩沉降和水平位移情况,见表2;并绘制外插角与围岩变形关系图,见图5。

表2 不同外插角下的围岩沉降和位移情况

图5 外插角与围岩变形关系

从表2和图5分析可知,当超前小导管的外插角从5°增加到30°时,周围围岩的拱顶沉降和相对水平位移都在逐渐减少,外插角为5°～20°时变化较为剧烈,当外插角大于20°时,变形趋势有明显的降低,其中拱顶沉降变化范围为2.51～1.40mm,减少了1.11mm,外插角为5°～20°时,减少了1.05mm;相对水平位移变化范围为6.01～4.41mm,减少了1.60mm,外插角为5°～20°时,减少了1.36mm;而地表沉降先逐渐减小,当外插角大于20°时稳定在0.23mm。由此看见,外插角的变化对拱顶沉降和相对水平位移影响较大,对地表沉降影响不大,当外插角大于20°时,外插角的变化对于围岩变形的影响已减缓。因此,选择超前小导管外插角20°为最优设计方案[9]。

3.2 布置间距参数分析结果

超前小导管的布置间距取值范围为200～600mm,以1m为一档共取5个工况进行模拟,图6为布置间距为200mm和600mm时的围岩沉降和水平位移云图。

图6 不同布置间距时的围岩沉降和位移云图

根据模型模拟计算结果,得到不同布置间距情况下的隧洞围岩沉降和水平位移情况,见表3;并绘制布置间距与围岩变形关系图,见图7。

表3 不同布置间距下的围岩沉降和位移情况

图7 布置间距与围岩变形关系

由表3和图7可知,当超前小导管的布置间距从200mm增加到600mm时,周围围岩的拱顶沉降和相对水平位移都在逐渐增大,但是变化幅度均不太,其中拱顶沉降变化范围为2.29～3.10mm,增加了0.81mm,变化幅度为26.20%;相对水平位移变化范围为5.24～5.97mm,增加了0.73mm,变化幅度为12.22%;而地表沉降围绕0.30mm周围呈不规则变化。由此看见,布置间距的变化对拱顶沉降和相对水平位移有一定影响,但影响程度不大,对地表沉降几乎没有影响。因此考虑施工难度和工程经济性,选择超前小导管布置间距400mm为最优设计方案。

3.3 布置范围参数分析结果

超前小导管的布置范围取值为110°～180°,以10°为一档共取7工况进行模拟,图8为布置范围为110°和180°时的围岩沉降和水平位移云图。

图8 布置间距时的围岩沉降和位移云图

根据模型模拟计算结果,得到不同布置间距情况下的隧洞围岩沉降和水平位移情况(见表4),并绘制布置间距与围岩变形关系图(见图9)。

表4 不同布置间距下的围岩沉降和位移情况

图9 布置间距与围岩变形关系

由表4和图9可知,当超前小导管的布置范围从110°增加到180°时,周围围岩的拱顶沉降、地表沉降和相对水平位移都在逐渐减小,其中拱顶沉降变化范围为4.29～2.10mm,减少了2.19mm;地表沉降变化范围为0.40～0.25mm,减少了0.15mm;相对水平位移变化范围为7.62～2.10mm,减少了3.63m。当超前小导管布置范围超过150°时,拱顶沉降下降趋势有明显减缓,相对水平位移下降趋势略有减缓,并可知超前小导管的布置范围越大[10],对围岩的加固效果越好,产生的沉降和位移越小。但是如果超前小导管布设范围过大,将不利于隧洞初期支护结构的施工,使得施工难度大大提升,并提高施工成本[11-12],因此综合考虑施工能力和经济效益,选择超前小导管布置范围150°为最优设计方案。

4 结 语

本文采用MIDAS GTS NX系统对苗尾水电站的导流隧洞进行模拟,通过控制单一变量法,分析超前小导管的外插角、布置间距和布置范围的变化对围岩沉降和位移的影响,最终确认的最优设计方案为直径42mm,长4.5m,外插角20°,布置间距400mm,排距2m,布设范围150°。通过施工期间的实时监测,在施工过程中围岩未发生较大的变形以及边坡滑动。目前,工程已施工完成并投入运行,通过对周围岩体的观测,隧洞周围岩体的变形速率和拱顶允许下沉速率均在相关规范要求内,说明超前小导管超前支护效果稳定。