引水隧洞進(jìn)口管棚超前支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

夏治濤

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局 新疆 伊犁 835000)

1 工程背景

某灌溉補償供水工程全程輸水線路長度4006m，隧洞進(jìn)口排水匯集工程蓄引水池引水的蓋板暗涵采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長98.4m；隧洞3條，采用城門洞型斷面，鋼筋混凝土襯砌，總長3439.7m；穿溝倒虹2座，采用地埋管道形式，總長295.9m，管道型號為DN400PE管。灌溉供水采用從輸水管道末端接DN125PE管經(jīng)加壓泵站加壓后接入原有灌溉管網(wǎng)，安裝水泵1臺套，埋設(shè)DN125PE管320m。

受到工程項目區(qū)地形和地質(zhì)條件的限制，2號輸水隧洞在線路設(shè)計過程中雖然避開了山體中的DC02大型構(gòu)造性斷層，但是隧洞的設(shè)計線路周邊的地質(zhì)環(huán)境仍然欠佳，基本處于弱風(fēng)化巖層中，洞身的圍巖類別以Ⅲ類為主，局部巖層中分布有數(shù)量不等強風(fēng)化流紋巖，給開挖施工造成移動的技術(shù)困難[1]。特別是進(jìn)口段200m以內(nèi)的巖層類別為Ⅳ類，自穩(wěn)性較差。因此在項目施工設(shè)計中擬采用管棚超前支護(hù)方案，保證施工的順利進(jìn)行[2]。針對上述工程背景，此次研究利用數(shù)值模擬的方法，對管棚支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為具體的施工設(shè)計提供有益的支持和借鑒。

2 FLAC3D有限元計算模型

2.1 模型的構(gòu)建

FLAC軟件是一款大型通用有限元軟件，最早由美國的ITASCA公司開發(fā)，開發(fā)之之初推出的是的FLAC2D二維有限元軟件，之后對該軟件進(jìn)行升級拓展，進(jìn)一步推出了FLAC3D三維有限元軟件[3]。FLAC3D與FLAC2D相比，具有更為強大的模擬計算功能，可以對工程研究領(lǐng)域的絕大部分材料流動和塑性破壞問題進(jìn)行模擬研究，具有廣泛的工程適用性?；诖?，此次研究選擇FLAC3D軟件進(jìn)行背景工程的計算模型構(gòu)建[4]。結(jié)合FLAC3D軟件的特點，特別是前處理功能方面的弱點，研究中首先利用CAD軟件進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，然后利用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格單元劃分，在將構(gòu)建的網(wǎng)格單元模型導(dǎo)入FLAC3D中[5]。

按照前期的工程設(shè)計，隧洞為城門洞型斷面設(shè)計，其進(jìn)口段的高度為4.5m，寬度為3.0m。根據(jù)相關(guān)研究成果，隧洞開挖對圍巖的影響大約為洞徑的三至五倍。此次研究中將模型左右兩側(cè)模擬范圍設(shè)置為5倍洞徑。由于進(jìn)口段上方的埋深較淺，因此直接計算至地表，模型的下方向下取3倍洞徑[6]。在幾何模型的構(gòu)建過程中，將輸水隧洞進(jìn)口段底板的中心設(shè)為坐標(biāo)原點，以開挖方向為Y軸的正方向，以垂直于Y軸指向右側(cè)的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為X軸正方向。在模型的網(wǎng)格剖分過程中，利用Solid45實體單元模擬輸水隧洞的圍巖和襯砌混凝土結(jié)構(gòu)，利用Cable單元模擬錨桿，利用Beam單元模擬管棚結(jié)構(gòu)[7]。對構(gòu)建的幾何模型利用六面體八節(jié)點單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對計算結(jié)果影響較大的開挖區(qū)域和圍巖表層進(jìn)行必要的加密處理，最終整個模型劃分為25194個網(wǎng)格單元，26473個計算節(jié)點。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 約束條件與計算參數(shù)

模型的約束條件是計算結(jié)果的重要影響因素，結(jié)合工程實際和研究需要，對模型的底部施加全位移約束條件，對模型的側(cè)面施加水平位移約束條件，模型的上部為自由邊界條件[8]。模型計算過程中利用自重應(yīng)力場模擬初始應(yīng)力場。關(guān)于模型參數(shù)，在研究中主要結(jié)合相關(guān)工程施工規(guī)范以及現(xiàn)場采樣試驗獲取，最終確定的模型計算參數(shù)如表1所示。模型的初始應(yīng)力場按照自重應(yīng)力場計算[9-11]。研究中結(jié)合前期的地質(zhì)調(diào)查資料，并將鋼拱架的彈性模量等效換算到初支結(jié)構(gòu)中，對管棚的彈性模量進(jìn)行折減計算，最終確定如表1所示的計算參數(shù)。

表1 模型計算參數(shù)表

3 計算結(jié)果與分析

3.1 環(huán)向間距

在模擬計算過程中，保持管棚長度40m、管徑120mm兩個參數(shù)不變，對40cm、50cm、60cm、70cm和80cm等5種不同管棚環(huán)向間距下的圍巖豎向位移和水平位移以及地表的沉降位移進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制出位移量隨管棚環(huán)向間距的變化曲線。由圖2可以看出，隨著環(huán)向間距的增大，拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量均呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點，說明管棚的環(huán)向間距是位移變形的重要影響因素。從具體的變化特點來看，當(dāng)管棚間距小于60cm時，地表沉降變形、拱頂沉降變形以及邊墻水平位移變形的位移量增長比較緩慢，而管棚間距>60cm時，變形量的增長速率明顯加大。以地表沉降變形為例，當(dāng)管棚環(huán)向間距由40cm增加到60cm時，其地表沉降變形量由25.2mm增加到27.9mm，增加了約10.7%；當(dāng)管棚環(huán)向間距由60cm增加到80cm時，其地表沉降變形量由27.9mm增加到42.8mm，增加了約53.4%；結(jié)合計算結(jié)果和工程的經(jīng)濟性，管棚間距應(yīng)該以60cm為最佳。

圖2 位移量隨環(huán)向間距變化曲線

3.2 管棚管徑

為了研究管棚管徑對圍巖穩(wěn)定性的影響，研究中保持管棚環(huán)向間距60cm、管棚長度40m兩個參數(shù)不變，選擇90mm、120mm、150mm、180mm和210mm等5種不同的管棚管徑進(jìn)行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖3所示的典型部位位移量隨管棚直徑的變化曲線。由圖可知，隨著管棚管徑的增大，拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，說明增加管棚的管徑對控制關(guān)鍵部位的位移變形具有明顯的作用。從具體的變化特征來看，當(dāng)管棚的管徑<150mm時，各關(guān)鍵部位的位移量下降比較明顯，當(dāng)管棚管徑>150mm時，各關(guān)鍵部位的位移量變化相對較小。仍以地表沉降變形為例，當(dāng)管棚管徑由90cm增加到150cm時，其地表沉降變形量由32.8mm減小到23.1mm，減小了約29.6%；當(dāng)管棚管徑由150cm增加到210cm時，其地表沉降變形量由23.1mm減小到19.7mm，減小了約14.7%；結(jié)合計算結(jié)果和工程的經(jīng)濟性，管棚管徑以150cm為最佳。

圖3 位移量隨管棚管徑變化曲線

3.3 管棚長度

為了研究管棚管徑對圍巖穩(wěn)定性的影響，研究中保持管棚環(huán)向間距60cm、管棚管徑150cm不變，選擇10m、20m、30m、40m和50mm等5種不同的管棚長度進(jìn)行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，繪制出如圖4所示的典型部位位移量隨管棚長度的變化曲線。由圖可知，隨著管棚長度的增大，拱頂沉降變形、地表沉降變形均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢。從具體的變化特征來看，當(dāng)管棚的管徑<30m時，各關(guān)鍵部位的位移量下降比較明顯，當(dāng)管棚管徑>30m時，各關(guān)鍵部位的位移量變化相對較小。以地表沉降變形為例，當(dāng)管棚長度由10m增加到30m時，其地表沉降變形量由35.3mm減小到24.2mm，減小了約31.4%；當(dāng)管棚管徑由30m增加到50m時，其地表沉降變形量由24.2mm減小到21.9mm，減小了約9.5%；整體來看。邊墻的水平位移量變化較小，說明管棚長度對邊墻位移變形的影響較小，對優(yōu)化計算結(jié)果影響不大。結(jié)合計算結(jié)果和工程的經(jīng)濟性，管棚長度以30m為最佳。

圖4 位移量隨管棚長度變化曲線

4 結(jié) 論

此次研究利用數(shù)值模擬的方法，對某灌溉補償供水工程引水隧洞進(jìn)口管棚超前支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，獲得的研究結(jié)論如下：

1)拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量隨著管棚環(huán)向間距的增大而增大，且管棚間距>60cm時，變形量的增長速率明顯加大。

2)拱頂沉降變形、地表沉降變形以及邊墻水平位移變形量隨著管棚管徑的增大而減小，且管棚管徑>150mm時的減小幅度較為有限。

3)拱頂沉降變形、地表沉降變形隨著管棚長度的增大而減小，且管棚長度>30m時的減小幅度較為有限。管棚長度對邊墻位移變形的影響較小。

4)結(jié)合研究成果和工程的經(jīng)濟性，建議采用60cm的管棚間距、150mm的管棚管徑以及30m的管棚長度。