超前小導(dǎo)管施工設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圍巖沉降的影響分析

劉瑞強(qiáng)

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司,江西 南昌 337100)

1 引 言

隧洞工程因地理位置或天氣降雨等因素影響,多存在大量圍巖地質(zhì)問題,易發(fā)生坍塌、滲漏水、襯砌強(qiáng)度不足等質(zhì)量問題[1],對(duì)施工安全和工程質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。因此,如何提高水工隧洞圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是整個(gè)水利工程順利實(shí)施的關(guān)鍵。

目前,軟弱圍巖超前支護(hù)的主要類型有超前小導(dǎo)管、超前錨桿、超前管棚、超前預(yù)注漿、掌子面全封閉等[2],其中超前小導(dǎo)管的施工設(shè)備最為簡(jiǎn)單,靈活性最強(qiáng),且對(duì)于松散軟弱巖體和含水量大的圍巖,可根據(jù)具體的地質(zhì)條件隨時(shí)變動(dòng)注漿比例和密度,適應(yīng)性更強(qiáng),因此廣泛應(yīng)用于水利調(diào)水工程和公路隧洞工程施工中。超前小導(dǎo)管施工示意圖見圖1。

圖1 超前小導(dǎo)管施工示意圖

超前小導(dǎo)管的外插角度、布置間距、布置范圍等參數(shù)的變化都會(huì)影響最終支護(hù)效果[3]。本文以苗尾水電站的導(dǎo)流隧洞為例,對(duì)超前小導(dǎo)管的支護(hù)效果進(jìn)行研究,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),以期達(dá)到最優(yōu)的支護(hù)效果。

2 模型構(gòu)建

2.1 軟件介紹

MIDAS GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款韓國(guó)開發(fā)的采用有限元法對(duì)巖土進(jìn)行靜動(dòng)力分析、滲流穩(wěn)定分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、階段性分析等的通用類有限元分析軟件,系統(tǒng)可提供多個(gè)常用的本構(gòu)模型,包括Duncan-Chang模型、Cambridge模型等,用戶也可以自定義本構(gòu)模型,實(shí)現(xiàn)快速建模、漢化交互式操作以及強(qiáng)大的三維可視化分析,是一款功能齊全、應(yīng)用廣泛的建模軟件[4-5]。本文利用MIDAS GTS NX構(gòu)建模型,對(duì)超前小導(dǎo)管的各參數(shù)變化進(jìn)行分析。

2.2 建立數(shù)值分析模型

本文以苗尾水電站的導(dǎo)流隧洞為例進(jìn)行建模,依據(jù)施工組織設(shè)計(jì)和勘測(cè)報(bào)告,隧道地處剝蝕丘陵地貌區(qū),巖石裂隙節(jié)理發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性較差,多為Ⅴ級(jí)圍巖。導(dǎo)流隧洞進(jìn)口為漸變形式,最大開挖斷面尺寸為22.50m×21.15m(寬×高),以最大開挖斷面作為典型測(cè)量斷面進(jìn)行計(jì)算模擬,計(jì)算模型取50m×23m×21m(長(zhǎng)×寬×高),巖土模型取100m×60m×96m(長(zhǎng)×寬×高)。模擬假定圍巖性質(zhì)單一,采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。超前小導(dǎo)管視為彈性體,初始模擬數(shù)值為直徑42mm,長(zhǎng)4.5m,外插角15°,布置間距400mm,布設(shè)范圍150°。本次建模共計(jì)61589個(gè)節(jié)點(diǎn),80867個(gè)單元,有限元模型圖2和圖3。

圖2 隧洞整體網(wǎng)格圖

圖3 超前小導(dǎo)管模型

2.3 數(shù)值參數(shù)設(shè)定

模型中各材料的具體參數(shù)見表1。

表1 模型材料力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算方法

因?yàn)槭┕み^程中,超前小導(dǎo)管的施工設(shè)備都是選擇好的,常用的小導(dǎo)管直徑為42mm,施工長(zhǎng)度為4.5m[6],因此不對(duì)以上兩項(xiàng)進(jìn)行分析,僅從超前小導(dǎo)管的外插角度、布置間距、布置范圍三個(gè)方面采用控制單一變量的方法,對(duì)比分析不同工況下圍巖的沉降和水平位移情況,以分析各因素對(duì)支護(hù)效果的影響[7-8]。

模型初始模擬數(shù)值為直徑42mm,長(zhǎng)4.5m,外插角15°,布置間距400mm,布設(shè)范圍150°。模擬工況中超前小導(dǎo)管外插角度取值5°～30°,布置間距取200～600m,布置范圍取110°～170°。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 管徑參數(shù)分析結(jié)果

超前小導(dǎo)管的外插角取值范圍為5°～30°,以5°為一檔共取6個(gè)工況進(jìn)行模擬,圖4為外插角為5°和30°時(shí)的圍巖沉降和水平位移云圖。

圖4 不同外插角時(shí)的圍巖沉降和位移云圖

根據(jù)模型模擬計(jì)算結(jié)果,得到不同外插角情況下的隧洞圍巖沉降和水平位移情況,見表2;并繪制外插角與圍巖變形關(guān)系圖,見圖5。

表2 不同外插角下的圍巖沉降和位移情況

圖5 外插角與圍巖變形關(guān)系

從表2和圖5分析可知,當(dāng)超前小導(dǎo)管的外插角從5°增加到30°時(shí),周圍圍巖的拱頂沉降和相對(duì)水平位移都在逐漸減少,外插角為5°～20°時(shí)變化較為劇烈,當(dāng)外插角大于20°時(shí),變形趨勢(shì)有明顯的降低,其中拱頂沉降變化范圍為2.51～1.40mm,減少了1.11mm,外插角為5°～20°時(shí),減少了1.05mm;相對(duì)水平位移變化范圍為6.01～4.41mm,減少了1.60mm,外插角為5°～20°時(shí),減少了1.36mm;而地表沉降先逐漸減小,當(dāng)外插角大于20°時(shí)穩(wěn)定在0.23mm。由此看見,外插角的變化對(duì)拱頂沉降和相對(duì)水平位移影響較大,對(duì)地表沉降影響不大,當(dāng)外插角大于20°時(shí),外插角的變化對(duì)于圍巖變形的影響已減緩。因此,選擇超前小導(dǎo)管外插角20°為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[9]。

3.2 布置間距參數(shù)分析結(jié)果

超前小導(dǎo)管的布置間距取值范圍為200～600mm,以1m為一檔共取5個(gè)工況進(jìn)行模擬,圖6為布置間距為200mm和600mm時(shí)的圍巖沉降和水平位移云圖。

圖6 不同布置間距時(shí)的圍巖沉降和位移云圖

根據(jù)模型模擬計(jì)算結(jié)果,得到不同布置間距情況下的隧洞圍巖沉降和水平位移情況,見表3;并繪制布置間距與圍巖變形關(guān)系圖,見圖7。

表3 不同布置間距下的圍巖沉降和位移情況

圖7 布置間距與圍巖變形關(guān)系

由表3和圖7可知,當(dāng)超前小導(dǎo)管的布置間距從200mm增加到600mm時(shí),周圍圍巖的拱頂沉降和相對(duì)水平位移都在逐漸增大,但是變化幅度均不太,其中拱頂沉降變化范圍為2.29～3.10mm,增加了0.81mm,變化幅度為26.20%;相對(duì)水平位移變化范圍為5.24～5.97mm,增加了0.73mm,變化幅度為12.22%;而地表沉降圍繞0.30mm周圍呈不規(guī)則變化。由此看見,布置間距的變化對(duì)拱頂沉降和相對(duì)水平位移有一定影響,但影響程度不大,對(duì)地表沉降幾乎沒有影響。因此考慮施工難度和工程經(jīng)濟(jì)性,選擇超前小導(dǎo)管布置間距400mm為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.3 布置范圍參數(shù)分析結(jié)果

超前小導(dǎo)管的布置范圍取值為110°～180°,以10°為一檔共取7工況進(jìn)行模擬,圖8為布置范圍為110°和180°時(shí)的圍巖沉降和水平位移云圖。

圖8 布置間距時(shí)的圍巖沉降和位移云圖

根據(jù)模型模擬計(jì)算結(jié)果,得到不同布置間距情況下的隧洞圍巖沉降和水平位移情況(見表4),并繪制布置間距與圍巖變形關(guān)系圖(見圖9)。

表4 不同布置間距下的圍巖沉降和位移情況

圖9 布置間距與圍巖變形關(guān)系

由表4和圖9可知,當(dāng)超前小導(dǎo)管的布置范圍從110°增加到180°時(shí),周圍圍巖的拱頂沉降、地表沉降和相對(duì)水平位移都在逐漸減小,其中拱頂沉降變化范圍為4.29～2.10mm,減少了2.19mm;地表沉降變化范圍為0.40～0.25mm,減少了0.15mm;相對(duì)水平位移變化范圍為7.62～2.10mm,減少了3.63m。當(dāng)超前小導(dǎo)管布置范圍超過150°時(shí),拱頂沉降下降趨勢(shì)有明顯減緩,相對(duì)水平位移下降趨勢(shì)略有減緩,并可知超前小導(dǎo)管的布置范圍越大[10],對(duì)圍巖的加固效果越好,產(chǎn)生的沉降和位移越小。但是如果超前小導(dǎo)管布設(shè)范圍過大,將不利于隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工,使得施工難度大大提升,并提高施工成本[11-12],因此綜合考慮施工能力和經(jīng)濟(jì)效益,選擇超前小導(dǎo)管布置范圍150°為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用MIDAS GTS NX系統(tǒng)對(duì)苗尾水電站的導(dǎo)流隧洞進(jìn)行模擬,通過控制單一變量法,分析超前小導(dǎo)管的外插角、布置間距和布置范圍的變化對(duì)圍巖沉降和位移的影響,最終確認(rèn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為直徑42mm,長(zhǎng)4.5m,外插角20°,布置間距400mm,排距2m,布設(shè)范圍150°。通過施工期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在施工過程中圍巖未發(fā)生較大的變形以及邊坡滑動(dòng)。目前,工程已施工完成并投入運(yùn)行,通過對(duì)周圍巖體的觀測(cè),隧洞周圍巖體的變形速率和拱頂允許下沉速率均在相關(guān)規(guī)范要求內(nèi),說明超前小導(dǎo)管超前支護(hù)效果穩(wěn)定。