新建放空冲砂隧洞开挖及支护数值模拟研究

陆林焰

（广东省水电二局股份有限公司，广东 广州 511340）

1 工程概况

龙颈下水库位于广东省揭阳市揭西县五经富镇，为综合性的中型水库。水库总容量为3 017万/m3。工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级。设计洪水位57.44 m（珠江基准），相应库容2 579万m3，最大洪水排放量3 047 m3/s，标准蓄水位54.50 m。工程移址重建放空隧洞以满足水库放空的要求。

新建放空隧洞由进口护底段、进口段、闸室段（放水塔）、渐变段、隧洞洞身及出口消力池段组成，整体长度为185 m。其中隧洞进口放水塔布置在东溢洪道左岸约75 m 处，隧洞洞身轴线总长154.91 m。新隧洞及放水塔施工完成后，拆除旧隧洞放水塔并对旧隧洞洞身全段进行封堵，封堵长度约85 m。在隧洞出口临时道路下游附近布置人工材料仓库。

隧洞封堵材料采用微膨胀混凝土，混凝土等级为C20素混凝土。隧洞进水口位于现有码头下方，设计底板高程34.90 m。进水口部位未发现断层出露，全强风化层浅薄，弱风化岩体埋深较浅，岩体以镶嵌-碎裂结构为主，进洞厚围岩风化程度一般，岩体完整性差，需锚固处理。围岩初步分类为Ⅳ类，局部Ⅴ类。隧洞出水口位于东溢洪道冲刷坑上方，设计底板高程27.40 m。据地面地质测绘及钻孔揭示，进水口部位第四系坡积层厚一般0.50～1 m，主要为碎石土，下伏基岩为石英斑岩，全强风化层浅薄，弱风化岩体节理裂隙发育，完整性差，局部较破碎。

2 模拟方案及参数设置

2.1 隧洞开挖方案及参数设置

新建放空隧洞为城门洞型，开挖工程主要为隧洞进出口护坡、隧洞洞身石方洞挖。设置隧道宽度为4 m，开挖高度为5 m；隧洞洞身衬砌混凝土为C25钢筋混凝土衬砌，衬砌净宽3 m，净高4 m，抗渗等级不低于W8。所有土石方明挖必须从上而下分层进行边仰坡开挖。在确定入洞口处位置时，需要建立洞外排水沟进行排水与截水，这样才能使得地表水较好运用。按设计坡度对边仰坡进行一次整平工作，并逐级分步对边坡进行防护。通过这种手段使得岩石保持较好状态，防止雨水冲刷后导致的坍塌。进行逐级开挖工作时，将两排锚杆高度设定为作业高度，开挖过程中使用的台阶高为3 m。按预计的开挖轮廓线，确定炮眼位置。间隔为45～70 cm，两侧眼间隔为88～89 cm，不同工作面选用FY-284 型风动凿岩机完成工作。在选择炸药时，根据岩石渗水情况，使用乳化炸药进行，炮眼使用φ26光爆小卷，非电毫秒起爆雷管起爆。用经纬仪测量出开挖轮廓线，并在周围寻找打眼位置，进行钻眼与起爆。要求装药前务必进行吹眼，根据实际标准进行装药，连接正确雷管线，并控制钻眼精度为3 cm。一次开挖循环的炸药量计算公式为：

式中：Q为一个爆破循环总用药量；q为爆破单位岩石的炸药量；v为岩石总体积。岩面破碎洞段在进行安全处理后，可先喷一层3 cm 厚混凝土，出渣后再进行上述步骤。过程中要不断检查已开挖洞段的围岩稳定情况，提升施工周边现场的安全性。在石方开挖过程中，需要及时检查开挖剖面水平，保证边坡软弱岩层的质量，加强边坡安全。开挖完成后，对边坡开挖质量验收，设置基础开挖面的平面尺寸、边坡平整度。

2.2 支护方案及参数设置

根据岩层属性制定隧洞支护准则，以此设置隧洞支护参数。在开挖区域前部较为稳定的岩层中，打入超前锚杆，并且将锚杆末端支撑到拱部围岩中。

按设计开挖半径超挖30 cm进行放样，画出上半洞开挖轮廓线。超挖30 cm画线是为了锚杆和锚杆内侧的工字钢拱架，在规格外不削减隧洞混凝土的厚度。考虑了锚杆钻孔的精度，以防个别孔向内偏差。利用手风钻钻孔。设置孔径48 mm，两侧间距300 mm。孔的深度为4.50 m，钻孔中的横向角度为5°。开孔位置要求按照标准选择，锚杆要设置在洞顶120°中。在锚杆施工前，先注入砂浆再用气腿式风钻送入锚杆。如果围岩质量相对稳定，可在锚杆外挂设钢筋并喷射混凝土。如果围岩质量较差，需运用不同种类的锚杆对围岩进行支护，再灌注混凝土进行浇筑加固。在隧洞爆破中控制爆破力量，维持隧洞结构稳定，需要及时添加支护防止危险发生。在洞口拱部120°范围内布置3排Φ25锚杆，长度4.50 m，梅花形布置。洞口设置1.50 m明拱段，洞顶设置帽檐，帽檐尺寸参照设计图纸。明拱段支护采用16#工字钢支撑，长度为3.00 m，厚为0.40 m。对围岩进行有效的约束，防止产生坍塌等安全问题产生。要参照隧洞施工的标准规范来进行，保证灌浆的有效性，减少隧洞漏水问题。在灌浆时分成不同段，控制段间距为50 m。回填灌浆后要进行固结灌浆，间隔时间约为7-14 d，为保证充分灌浆运用梅花形的方式进行浇筑。

3 数值模拟分析

为检测新建放空冲砂隧洞的应用效果，在施工中设置五个施工小组，运用川字布点法对施工结果进行观测。当隧洞两帮收敛量在60 mm以内时为隧洞施工预期目标。

运用FLAC3D 有限差分软件对变形进行隧洞整体数值模拟。根据隧洞大小进行建模为30 m×30 m×10 m。隧洞埋深450 m，围岩平均重量为1.30万N/m3，竖直应力为13.60 MPa，并选择合适的力学模型建立。在边界施加X轴方向的约束，在底部施加Y 轴方向的约束，并在顶部施加应力边界值，完成对于位移量的约束。主要观测数据为隧洞两帮收敛量和隧洞顶底板位移量。根据不同施工小组隧洞的变形程度，对不同小组设置不同的参数。

3.1 结果分析

5个施工小组的施工结果如表1所示。

表1 各个施工小组施工结果表

在开挖前后隧洞两帮收敛量对比如图1所示。

图1 隧洞两帮收敛量图

由结果可知，隧洞两帮变形量较开挖前更小。随着观测时间增加，隧洞两帮变形收敛量均在60 mm之内，收敛量明显减小，增长速度较为平缓，基本控制了隧洞两帮的变形程度，满足设计需求。不仅提升了隧洞的抗力和抗剪应力，还保证了隧洞的稳定性，增加了施工的安全性。

综上所述，对隧洞围岩的水X 轴位移进行分析，围岩在水平方向的变形使得隧洞两帮的收缩，从而产生隧洞钢梁的变形。在不同支护小组中，围岩水平位移变化几乎保持相同，两帮相对位移量为213～214 mm。在水平位移约束中，隧洞整体设计较优。同时，对隧洞的Y轴变形进行分析。隧洞围岩在垂直方向的变形会引起顶底板的过度沉降，使得顶板发生塌陷。从而发生整体结构变形情况。在施工方案实施后，顶底板相对位移量为354～357 mm 之间。隧洞在锚杆和钢带支护作用下，隧洞表面岩体的完整性得到了明显的提升。两帮和顶板的破损分布较为集中，且随着应力的大小保持一定的稳态趋势，塑性区范围没有发生变化。根据上述数值模拟结果及施工成本整合来看，整体施工效果较为良好。

4 结语

为了提高隧道的稳定性与安全性，研究了新建放空冲砂隧洞开挖及支护数值模拟。设置数值模拟参数以及模拟方案，以此进行数值模拟，经过模拟验证了本文方法能够提高隧道的稳定性，保证了成型后深挖方段落能有效使用，加快了施工速度，实现了隧洞工程项目的安全施工。今后在研究中，可以继续优化断面参数及锚杆布置参数，对提高结构稳定性加以要求，设计优化支护方案，提升围岩强度。实现隧洞施工中开挖及支护更高效、安全的应用。