平頂開挖技術(shù)在大型漸變段工程中的應(yīng)用

?！∏?，　張 偉 狄，　王 賢 彪

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州　310014)

平頂開挖技術(shù)在大型漸變段工程中的應(yīng)用

祝青，張 偉 狄，王 賢 彪

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310014)

摘要：平頂開挖技術(shù)對(duì)于特大跨度漸變段工程來(lái)說(shuō)，可大大加快施工進(jìn)度，減小施工成本投入，具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值，但其對(duì)巖體質(zhì)量和支護(hù)設(shè)計(jì)要求較高，如何在采用該技術(shù)提高施工效率的同時(shí)確保洞室的安全與穩(wěn)定是工程施工中的一大難題。在特大斷面地下洞室施工中，不論采用平頂開挖還是起拱開挖，均應(yīng)進(jìn)行及時(shí)合理的支護(hù)，并利用施工監(jiān)控量測(cè)來(lái)掌握圍巖變形發(fā)展情況，判斷圍巖的穩(wěn)定狀況并進(jìn)行預(yù)報(bào)，必要時(shí)修改支護(hù)參數(shù)，以保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

關(guān)鍵詞：隧洞工程；平頂開挖；圍巖穩(wěn)定；數(shù)值分析；工程特點(diǎn)；應(yīng)用

1引言

大型淺埋地下洞室進(jìn)(出)口段一般需設(shè)漸變段，以便水流平順過(guò)渡，防止負(fù)壓和空蝕的產(chǎn)生。漸變段由于位于進(jìn)(出)口段，側(cè)面及上部覆蓋層相對(duì)較薄，且多為松散坡積體，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工是一個(gè)受眾多因素影響的復(fù)雜過(guò)程，無(wú)規(guī)范可循，工程模擬少，所以漸變段的安全性在隧洞施工過(guò)程中顯得尤為重要。前人研究成果較少。

平頂開挖技術(shù)對(duì)于特大跨度漸變段工程來(lái)說(shuō)，可大大加快施工進(jìn)度，減小施工成本投入，具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值。但其對(duì)巖體質(zhì)量和支護(hù)設(shè)計(jì)要求較高，如何在采用該技術(shù)提高施工效率的同時(shí)確保洞室的穩(wěn)定與安全是工程施工中的一大難題。本文以國(guó)內(nèi)某水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)口漸變段工程為背景，該工程采用平頂開挖方案，為電站提前一個(gè)月實(shí)現(xiàn)了分流過(guò)水，為提前截流創(chuàng)造了條件。

本文采用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法，對(duì)漸變段開挖支護(hù)全過(guò)程進(jìn)行三維彈塑性數(shù)值分析，評(píng)價(jià)工程創(chuàng)新采用的大跨度斷面平頂開挖技術(shù)及聯(lián)合支護(hù)方案的合理性，并針對(duì)平頂開挖技術(shù)在不同類別圍巖中的適用性進(jìn)行初步探討，為今后的大斷面漸變段工程施工設(shè)計(jì)提供一定參考。

2工程特點(diǎn)

該水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口漸變段長(zhǎng)30m，采用由矩形斷面漸變?yōu)槌情T洞型的斷面型式。進(jìn)口處采用矩形斷面27.6m×26.3m(寬×高)，漸變段末端采用城門洞型斷面21.6m×26.3m(寬×高)，頂部為R12.04m的圓拱，并與導(dǎo)流洞洞身段順接。其開挖斷面在國(guó)內(nèi)同類工程還比較少見，且在開挖方法上采用了進(jìn)口斷面平頂開挖成型技術(shù)，對(duì)開挖和支護(hù)工藝要求高。

漸變段最大開挖跨度達(dá)27.6m，且頂部未起拱，所以開挖成洞穩(wěn)定問(wèn)題較突出，故正確合理地選擇開挖支護(hù)方案對(duì)于洞室的穩(wěn)定是非常關(guān)鍵的。

3施工期圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析

3.1計(jì)算模型和參數(shù)

模型說(shuō)明：計(jì)算模型共有21 892個(gè)實(shí)體單元，10 148個(gè)結(jié)點(diǎn)，該離散模型用于模擬洞周圍巖和最后的混凝土襯砌。除此之外，模型中還包括對(duì)超前支護(hù)及一次支護(hù)措施的模擬。如懸吊錨筋樁、預(yù)應(yīng)力錨索、系統(tǒng)錨桿、鋼纖維混凝土噴層。由于錨筋樁、錨索、錨桿均主要承受拉應(yīng)力，采用Flac3D中的cable單元來(lái)模擬?；炷羾妼硬捎胹hell單元模擬。圍巖選用能夠體現(xiàn)巖體材料壓剪破壞實(shí)質(zhì)的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型來(lái)模擬。進(jìn)口漸變段整體計(jì)算模型見圖1。

邊界條件：模型的上表面定為自由面，四周邊界均施加法向的約束，底部邊界給予全約束(x、y、z軸)，由此共同構(gòu)成模型的位移邊界條件，以保證整個(gè)系統(tǒng)的受力體系的平衡。

計(jì)算參數(shù)：計(jì)算所用巖石力學(xué)參數(shù)見表1，襯砌采用C30鋼筋混凝土。

3.2動(dòng)態(tài)施工模擬

依據(jù)工程擬定的施工順序，采用Flac3D計(jì)算程序用20個(gè)計(jì)算步模擬漸變段的開挖、支護(hù)過(guò)程，敘述如下(漸變段開挖程序見圖2)：

圖1　進(jìn)口漸變段整體計(jì)算模型

巖性風(fēng)化(圍巖類別)容重γ/(kN/m3)變形模量E/Gpa凝聚力c’/MPa摩擦系數(shù)f’泊松比μ0花崗巖弱風(fēng)化上部(Ⅳb)24.030.250.750.25弱風(fēng)化下部(Ⅲa)25.740.51.00.24微風(fēng)化～新鮮(Ⅲb)26.1121.11.20.24

圖2　漸變段開挖程序圖

1-計(jì)算自重作用下巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)；2-對(duì)頂部圍巖進(jìn)行超前支護(hù)(懸吊錨筋樁、預(yù)應(yīng)力錨索等)；3-開挖Ⅰ1部分；4-對(duì)開挖部分圍巖進(jìn)行一次支護(hù)(預(yù)應(yīng)力錨桿，噴層等)；5-開挖Ⅰ2部分；6-對(duì)開挖部分圍巖進(jìn)行一次支護(hù)；7-開挖Ⅰ3部分；8-對(duì)開挖部分進(jìn)行一次支護(hù)；9-開挖Ⅱ1部分；10-開挖Ⅱ2部分；11-對(duì)開挖部分進(jìn)行一次支護(hù)；12-開挖Ⅱ3部分；13-開挖Ⅱ4部分；14-對(duì)開挖部分進(jìn)行一次支護(hù)；15-開挖Ⅲ1部分；16-開挖Ⅲ2部分；17-對(duì)開挖部分進(jìn)行一次支護(hù)；18-開挖Ⅲ3部分；19-對(duì)開挖部分進(jìn)行一次支護(hù)；20-襯砌及中隔墩施工。

3.3施工過(guò)程圍巖穩(wěn)定性分析

3.3.1開挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)

對(duì)漸變段不同施工期洞周巖體的第一、第三主應(yīng)力的應(yīng)力范圍與極值發(fā)生位置進(jìn)行了分析與匯總，見表2。為便于分析說(shuō)明，給出漸變段開挖分層分區(qū)示意圖，并標(biāo)注若干個(gè)特征點(diǎn)，依次命名為a～t，見表2。

洞室開挖后，圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)釋放，巖體發(fā)生應(yīng)力重分布，拱頂部位出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，并隨著開挖過(guò)程的推進(jìn)而不斷發(fā)生變化。整個(gè)施工過(guò)程中，第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在Ⅰ層全部開挖完畢時(shí)，出現(xiàn)在拱頂附近，為1.10MPa，當(dāng)下層繼續(xù)開挖時(shí)，圍巖再一次卸荷，拱頂拉應(yīng)力減?。坏谌鲬?yīng)力最大值發(fā)生在Ⅱ?qū)尤块_挖完畢時(shí)，出現(xiàn)在右邊墻底部開挖角點(diǎn)處(k點(diǎn)附近)，最大值為-4.96MPa，其后也隨著下層繼續(xù)開挖而有所減小。

當(dāng)Ⅲ層開挖完，底板上出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，但是在襯砌和中隔墩支護(hù)完畢后，底板處拉應(yīng)力值減小，且由位移分析可知，此時(shí)底板上抬位移值也有所減小，可見襯砌及中隔墩支護(hù)對(duì)限制底板應(yīng)力及變形發(fā)展起到了較好的作用。

3.3.2開挖過(guò)程中變形場(chǎng)

在開挖過(guò)程中，洞周圍巖的位移分布規(guī)律不斷發(fā)生變化，隨著開挖的進(jìn)展總體上內(nèi)縮變形呈增大趨勢(shì)，其中拱頂變形的增長(zhǎng)更快，圖3給出了進(jìn)、出口斷面關(guān)鍵點(diǎn)在整個(gè)施工過(guò)程中的位移變化曲線，由圖可看出洞室總體變形趨勢(shì)是：①拱頂持續(xù)下沉，其施工期沉降主要發(fā)生在Ⅰ層開挖過(guò)程中，沉降量達(dá)到施工期總沉降值的70%以上；②底板持續(xù)回彈，變形趨勢(shì)隨施工過(guò)程變化較平緩，在進(jìn)行二次支護(hù)以后底板上抬值有所減??；③邊墻在施工過(guò)程中總位移值不大，其變形趨勢(shì)相對(duì)拱頂和底板來(lái)說(shuō)也平緩得多。

進(jìn)口斷面與出口斷面洞室變形趨勢(shì)一致，進(jìn)口斷面各關(guān)鍵點(diǎn)位移均略大于出口斷面，主要原因有兩個(gè)：①進(jìn)口斷面開挖跨度大于出口斷面，整個(gè)漸變段開挖跨度由27.6m漸變?yōu)?1.6m；②進(jìn)口斷面采用平頂開挖技術(shù)，斷面型式為矩形，出口斷面采用起拱開挖技術(shù)，斷面型式為城門洞型，由于拱效應(yīng)的存在，使得出口斷面拱頂沉降小于進(jìn)口矩形斷面。

表2　漸變段施工期圍巖應(yīng)力結(jié)果匯總　/MPa

3.3.3開挖后塑性區(qū)分布

圖3　進(jìn)出口斷面關(guān)鍵點(diǎn)施工期位移曲線圖

由于洞室圍巖巖性較好，在施工完畢后出現(xiàn)塑性區(qū)的范圍不大，主要集中在漸變段靠近出口斷面的底板中心位置，邊墻和頂拱部位也出現(xiàn)小面積塑性區(qū)，但開展深度均很小。

4平頂開挖技術(shù)在不同類別圍巖中的應(yīng)用

為了探討平頂開挖技術(shù)對(duì)不同類別圍巖中特大斷面漸變段工程的適用性，針對(duì)洞周圍巖參數(shù)進(jìn)行敏度分析，所得結(jié)論可為今后的大斷面漸變段工程施工設(shè)計(jì)提供一定參考，在推廣平頂開挖技術(shù)的同時(shí)考慮其對(duì)圍巖條件的要求，以保證在確保洞室的安全與穩(wěn)定前提下提高施工效率。

4.1計(jì)算方案

對(duì)洞室周圍巖體參數(shù)分區(qū)進(jìn)行敏度分析，將巖體可分為三個(gè)區(qū)域，見表1。漸變段開挖斷面位于Ⅲb類圍巖中，其上部覆蓋層為Ⅳa類圍巖，下部為Ⅲa類圍巖。

敏度分析具體計(jì)算方案見表3。在對(duì)上部巖體參數(shù)進(jìn)行敏度分析時(shí)，保持中、下部巖體為原參數(shù)不變；在對(duì)中部巖體參數(shù)進(jìn)行敏度分析時(shí)，選取上部巖體為Ⅴ類圍巖參數(shù)(考慮到一般上部巖體風(fēng)化程度要高于中部巖體)，并保持不變；在對(duì)下部巖體參數(shù)進(jìn)行敏度分析時(shí)，保持上、中部巖體為原參數(shù)不變。

表中所列圍巖類別均是按照該水電站壩址區(qū)巖體質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分的，并且為了排除支護(hù)參數(shù)不同對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生的干擾，各方案均采用了相同的支護(hù)參數(shù)。

4.2上部巖體參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

表3　計(jì)算方案及參數(shù)表

注：在對(duì)中部巖體參數(shù)進(jìn)行敏度分析時(shí)，由原定方案及計(jì)算參數(shù)所得的圍巖變形和塑性區(qū)開展很大，在后四種方案上分別提高中部巖體c’值，作為對(duì)比分析。

對(duì)比方案①～方案⑤計(jì)算所得的洞室開挖完成后位移、應(yīng)力、塑性區(qū)分布結(jié)果，見表4，分析不同類別上部巖體對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響。

洞室上部巖體參數(shù)降低，對(duì)頂拱位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律影響較大，而對(duì)邊墻、底板影響較小?？傮w來(lái)看，上部巖體參數(shù)降低，對(duì)洞室整體圍巖穩(wěn)定性影響較小，只要進(jìn)行合理的超前支護(hù)，即可保證洞室施工期的安全穩(wěn)定。

4.3中部巖體參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

對(duì)比方案⑥～方案⑩計(jì)算所得的洞室開挖完成后位移、應(yīng)力、塑性區(qū)分布結(jié)果，見表5，分析不同類別中部巖體對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響。

中部巖體(洞室所在層巖體)參數(shù)改變，對(duì)洞周圍巖應(yīng)力分布規(guī)律影響不大，但對(duì)洞室變形及塑性區(qū)開展影響極大。頂拱和邊墻的位移及塑性區(qū)分布隨中部巖體參數(shù)降低(從Ⅲb類降到Ⅴa類)而大幅度增加，對(duì)洞室整體圍巖穩(wěn)定性影響極大，需大力加強(qiáng)邊墻及頂拱部位支護(hù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，掌握施工過(guò)程中洞周圍巖的動(dòng)態(tài)變化，以保證洞室施工期的安全穩(wěn)定。

將中部巖體參數(shù)c’值(粘聚力)提高后，洞室變形和塑性區(qū)明顯減小很多，當(dāng)圍巖類別為Ⅳa時(shí)，邊墻上未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。可見，通過(guò)采取措施提高巖體粘聚力，可增強(qiáng)洞室圍巖穩(wěn)定性。

表4　上部巖體敏度分析開挖后位移、應(yīng)力、塑性區(qū)結(jié)果對(duì)比

表5　中部巖體敏度分析開挖后位移、應(yīng)力、塑性區(qū)結(jié)果對(duì)比

4.4下部巖體參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

洞室下部巖體參數(shù)改變，對(duì)洞周圍巖應(yīng)力分布影響不大，但對(duì)洞室變形及塑性區(qū)開展影響較大。隨下部巖體參數(shù)降低，底板回彈變形明顯增大，當(dāng)降低到一定程度時(shí)，底板上的塑性區(qū)范圍突增，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定很不利。因此，當(dāng)下部巖體質(zhì)量較差時(shí)，在底層開挖完畢后，除進(jìn)行二次支護(hù)外，還應(yīng)立即采取相應(yīng)支護(hù)措施，防止底板出現(xiàn)大面積塑性破壞，影響洞室安全運(yùn)行。

5結(jié)語(yǔ)

(1)從數(shù)值分析結(jié)果來(lái)看，在工程地質(zhì)條件良好的前提下，針對(duì)特大斷面洞室采用平頂開挖技術(shù)同時(shí)結(jié)合聯(lián)合支護(hù)措施的施工設(shè)計(jì)，是可以保證洞室施工期圍巖穩(wěn)定的。巖體參數(shù)(主要是巖體變模E、粘聚力c’、摩擦角φ)的改變對(duì)洞室變形、塑性區(qū)開展特性有很大的影響，因此地質(zhì)勘測(cè)工作顯得尤為重要，準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)是進(jìn)行洞室圍巖穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)和重要前提。

表6　下部巖體敏度分析開挖后位移、應(yīng)力、塑性區(qū)結(jié)果對(duì)比

(2)洞室上部覆蓋層巖體質(zhì)量對(duì)洞室整體圍巖穩(wěn)定性影響較小，當(dāng)上部圍巖類別由Ⅳ類降為Ⅴ類時(shí)，在采用合理的超前支護(hù)手段對(duì)頂拱以上巖體進(jìn)行預(yù)加固、進(jìn)行及時(shí)有效的一次支護(hù)后，洞室變形和塑性區(qū)開展均不大，說(shuō)明平頂開挖技術(shù)可適用于頂部圍巖類別為Ⅴ類的大斷面漸變段工程，并且該漸變段所采用的支護(hù)參數(shù)可配套使用，以保證洞室施工期的安全與穩(wěn)定。

(3)洞室所在層巖體質(zhì)量對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性影響極大，當(dāng)中部巖體參數(shù)降低為Ⅴ類圍巖參數(shù)時(shí)，兩邊墻出現(xiàn)大范圍塑性區(qū)，沿洞軸線方向和高度方向均已貫通，洞室安全與圍巖穩(wěn)定性得不到保證。故當(dāng)漸變段位于Ⅴ類圍巖或Ⅳ類偏下圍巖中時(shí)，不推薦采用平頂開挖方案。當(dāng)漸變段位于Ⅳ類偏上圍巖中時(shí)，可通過(guò)對(duì)邊墻部位進(jìn)行特殊加固處理，提高巖體抗剪強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，推薦采用平頂開挖方法結(jié)合聯(lián)合支護(hù)手段，可提高施工效率，同時(shí)保證洞室施工期的安全與穩(wěn)定。

(4)洞室下部巖體質(zhì)量對(duì)洞室頂拱和邊墻影響不大，但對(duì)底板的變形和塑性區(qū)開展影響較大。當(dāng)下部圍巖參數(shù)降到Ⅲ類偏下時(shí)，開挖后洞室整體相對(duì)收斂在允許范圍內(nèi)，但底板上出現(xiàn)較大范圍塑性區(qū)，貫通的塑性區(qū)未擴(kuò)散到邊墻上。因此，當(dāng)洞室下部圍巖為Ⅲ類偏下時(shí)(不低于Ⅲ類)，若上、中部圍巖條件較好，可在對(duì)底板進(jìn)行及時(shí)有效加固的前提下采用平頂開挖技術(shù)；若上、中部圍巖條件較差，不推薦采用該開挖方案。

(5)在特大斷面地下洞室施工中，不論采用平頂開挖還是起拱開挖，均應(yīng)進(jìn)行及時(shí)合理的支護(hù)，并利用施工監(jiān)控量測(cè)來(lái)掌握圍巖變形發(fā)展情況，判斷圍巖的穩(wěn)定狀況并進(jìn)行預(yù)報(bào)，必要時(shí)修改支護(hù)參數(shù)，以保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]ItascaConsultingGroup，Inc.Flac3D，F(xiàn)astLagrangianAnalysisofContinuain3Dimension，Version2.1，User’smanual，USA：ItascaConsultingGroup，Inc.，2002

[2]畬健，何川. 軟弱圍巖段隧道施工過(guò)程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬[M]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3)：623-629.

[3]吳世勇，任旭華，陳祥榮，等. 錦屏二級(jí)水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定分析及支護(hù)設(shè)計(jì)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(20)：3777-3782.

[4]肖明. 地下洞室施工開挖三維動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)值模擬分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(4)：421-425.

祝青(1984-)，女，江蘇南京人，畢業(yè)于天津大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，工程師，現(xiàn)于中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事水工建筑物設(shè)計(jì)；

張偉狄(1982-)，男，浙江象山人，畢業(yè)于武漢大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)于中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事水工建筑物設(shè)計(jì)；

王賢彪(1978-)，男，浙江金華人，畢業(yè)于河海大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)于中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事水電工程勘察與研究工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

收稿日期:2015-07-31

文章編號(hào):1001-2184(2015)04-0112-06

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):TV7；TU94+1

作者簡(jiǎn)介: