输水隧洞主洞和支洞交汇区施工方法比选研究

张立群

(朝阳县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122629)

1 研究背景

辽宁省观音阁水库输水工程是从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t/d[1]。本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]。主要建筑物取水头部、电站为2级建筑物，输水隧洞、输水管道及其附属建筑物等根据输水流量为2～3级建筑物，次要建筑物为3～4级建筑物。由于输水隧洞较长，因此，设计有4条大型施工支洞。由于施工支洞的存在，主洞和支洞的交汇区具有更为复杂的空间结构，其在开挖施工中的围岩变形特征和常规隧洞相比也存在比较显著的差异[3]。因此，如果不考虑交汇区的特殊特点，特别是变形特征的独特性，而采用常规的开挖工法和支护方式，可能难以发挥良好的工程效果，进而影响到交汇区和后续主隧洞的开挖施工安全[4]。因此，对主洞和支洞交汇区围岩变形特征进行深入分析和研究，确定合适的开挖施工工法具有十分重要的意义和作用。

2 有限元计算模型

2.1 计算模型的构建

FLAC3D是由美国Itasca Consulting Group Inc公司开发的一款大型通用有限差分模拟软件，在地下洞室工程开挖和围岩变形模拟计算方面具有显著的优势，得到业界的广泛认可[5]。因此，此次研究选择FLAC3D软件对观音阁输水工程输水隧洞主洞和3#支洞交汇区进行建模模拟计算。

鉴于工程现场的地质条件和施工过程的复杂性，在研究中需要面临诸多不确定性因素的影响[6]。因此，数值模拟软件并不能完美还原工程现场的所有情况，而需要做出一些合理的假设：在模型构建过程中，将围岩视为均质、连续、各向同性的介质，不考虑节理和裂隙的影响；由于研究洞段埋深较大，难以对上覆岩土体进行全部模拟，因此，以垂直应力代替上覆岩层的重量，并以均布荷载的方式施加于模型上边界；假定主洞和支洞交汇区的构造应力分布均匀；研究中仅考虑初支结构的影响，不考虑二衬的支护作用；由于工程区地下水埋深较大，研究中不考虑地下水的作用[7]。

研究中以研究区的地质报告和实际工程为基础，利用Rhinoceros软件构建交汇区的三维模型，再利用FLAC3D有限差分软件进行施工过程模拟计算。模型计算过程中为了减小边界效应的实际影响，设置输水隧洞主洞边墙与模型边界的距离是主洞开挖洞径的5倍[8]。整个几何模型的总长度为100 m，模型的总高度和总宽度均为50 m，隧洞拱顶和模型顶部边界的距离为20 m。根据工程实际，模型中的主隧洞和支洞的夹角为37.5°。隧洞的初支结构为钢拱架、钢筋网以及喷射混凝土。主洞和支洞的初支厚度分别为250 mm和200 mm。整个模型划分为70 223个单元和48 264个节点。

2.2 模型参数与边界条件

根据背景工程超前探测获得的地质资料和施工方案，确定此次数值模拟研究的模型材料的物理力学参数，结果如表1所示。为了模型计算简化要求，研究中以刚度等效原理将钢拱架和钢筋网转化为喷射混凝土，并以其弹性模量代替。

表1 模型材料物理力学参数

为了提高模拟计算的精度，需要选择合适的本构模型。在此次研究中，选择摩尔-库伦本构模型描述围岩岩体的力学行为，以弹性模型描述初期支护和临时支护的力学行为，利用null单元定义隧洞被开挖岩体。对模型的底部施加全位移约束，模型的四周施加水平位移约束，模型的顶部不施加位移约束，为自由边界条件。在模型的上表面施加7.6 MPa的均布荷载，以模拟隧洞上覆岩层的重力作用。

2.3 计算方案

为了研究不同开挖工法对交汇区围岩变形的影响，研究中选择全断面开挖法、双台阶开挖法、三台阶开挖法、预留核心土法、CRD法等5种不同的施工方法进行建模分析，具体的施工参数如表2所示。

表2 交叉角37.5°各计算方案施工参数 m

3 计算结果与分析

3.1 围岩变形

研究中对不同开挖施工方案下的围岩关键部位的沉降和收敛变形数据进行整理，结果如表3所示。由表中的结果可知，不同开挖工法下隧洞围岩的沉降变形和水平收敛变形均存在比较显著的差异。由此可见，不同开挖工法对围岩变形存在显著影响，对不同施工工法进行比选具有重要的工程意义和价值。具体来看，无论是沉降变形还是收敛变形，全断面开挖法的变形量最大，其次是双台阶法方案、三台阶法和预留核心土法，CRD法的变形量最小。由此可见，将隧洞断面分为多个部分进行开挖，可以有效减小开挖扰动的影响，减少围岩变形。在开挖主洞和支洞交汇区的施工中，CRD法需要设置中隔墙等临时支护，因此，对交汇区的围岩变形控制更为有效，变形量最小。另一方面，由于施工支洞在主洞的右侧与主洞相接，开挖施工对右拱腰的影响较大，右拱腰的围岩收敛变形量显著大于左拱腰。从具体的计算结果来看，CRD法与全断面开挖法相比，拱顶沉降变形减小了约41.74%；底板隆起变形减小了约29.24%；左拱腰收敛变形减小了约31.06%；右拱腰收敛变形减小了约24.89%。因此，CRD法与隧洞其他部位采用的全断面开挖法相比，具有显著的优势，可以有效控制围岩位移变形。

表3 关键部位位移监测数据 mm

3.2 围岩应力

利用构建的有限元模型，对5种不同开挖施工工法下的围岩竖向和水平应力分布情况进行模拟计算，从计算结果中提取出隧洞围岩的拱顶、边墙中部和拱脚三个关键部位的应力值，结果如表4所示。从计算结果来看，围岩应力的变化规律与围岩位移类似，各部位的竖向应力和水平应力的变化规律较为一致，全断面开挖法的变形量最大，其次是双台阶法方案、三台阶法和预留核心土法，CRD法的围岩应力值最小。由此可见，将隧洞断面分为多个部分进行开挖，可以有效减小开挖扰动的影响，从而减小围岩应力值。在开挖主洞和支洞交汇区的施工中，CRD法需要设置中隔墙等临时支护，对交汇区的围岩变形控制更为有效，因此，各部位的应力值最小。

表4 围岩应力计算结果 MPa

3.3 喷射混凝土结构应力

研究中对不同开挖施工方案下的喷射混凝土结构的应力和弯矩进行模拟计算，结果如表5所示。由计算结果可知，全断面开挖法的喷射混凝土结构应力和弯矩最大值最大，其次是双台阶法方案、三台阶法和预留核心土法，CRD法的最小。从具体的计算结果来看，采取CRD法与采用传统的全断面开挖法相比，喷射混凝土结构的拉应力最大值减小约44.56%；压应力最大值减小约61.32%；正弯矩最大值减小约65.76%；负弯矩最大值减小约65.35%。由此可见，CRD法在控制喷射混凝土结构应力方面具有较为显著的优势。

表5 喷射混凝土结构应力、弯矩监测数据

4 结 语

此次研究以观音阁输水工程为例，利用数值模拟的方式探讨了不同开挖施工工法对输水隧洞主洞和支洞交汇区的影响，并根据计算结果对施工方法进行优选。计算结果显示，CRD法在控制围岩变形、围岩应力和喷射混凝土结构应力方面具有十分明显的优势，为最佳施工工法。研究结果不仅对背景工程的设计建设具有重要的支持作用，对相关类似工程研究和施工也具有重要的借鉴意义。当然，此次研究仅针对施工工法展开研究，而施工安全稳定性还受到埋深、主洞和支洞的交汇角以及围岩等级等诸多因素的影响。因此，在今后的研究中需要进一步考虑其他因素的影响，以获得更为全面和科学的研究结论。