引水隧洞穿越糜棱岩断层破碎带施工方法选择研究

聂盛明

(江西省建洪工程监理咨询有限公司，江西 南昌 330096)

1 工程背景

某新建水电站的引水系统主要由进水口，引水隧洞的上平段、斜洞段以及下平段、高压岔管以及压力钢管构成。隧洞沿线的山体比较雄厚，埋深在30～300m之间，基岩的岩石整体比较完整和稳定。但是，下平段桩号引Ⅱ0+487～引Ⅱ0+525m洞段为穿越D5断层洞段岩体受到构造挤压的作用，破碎比较严重，主要有糜棱状碎块夹碎屑和断层泥构成。同时，该洞段的成洞半径3.5m，开挖半径为4.2m。由于开挖断面大且岩体质量较差，给施工开挖造成较大的难度。在开挖施工工法方面，结合该洞段的实际情况和相关施工经验[1]，提出了三台阶法、预留核心土环形开挖法、超前导洞扩挖法和新意法4种不同方法，研究中利用数值模拟的方法对上述4种方法进行比选，以获取最佳施工方法。

2 计算模型的构建

2.1 计算模型

研究中以引水隧洞下平段穿越D5断层洞段为对象建立数值计算模型。根据相关研究成果，地下洞室工程在开挖完毕后，在距离开挖断面中心点5～7倍开挖直径的范围内存在围岩应力应变的影响[2]。为了保证结果的准确性，研究中的计算模型边界取10倍洞径，模型的长度选择为50m。最终确定模型的尺寸为80m×50m×80m[3]。计算模型以隧洞中线指向下游的方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴指向右侧的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。

该段隧洞的埋深约150m，因此在模型的顶面施加2.75MPa的均布荷载，以模拟上覆岩体的重力[4]。根据初始地应力的测试结果，在模型的前后和左右面分别施加23.15MPa和15.06MPa的均布荷载。对模型的底部施加全位移约束，模型的左右两侧施加X方向位移约束，模型的前后施加Y方向位移约束，模型的上部为自由边界条件[5]。对模型进行六面体八节点实体单元划分，最终获得15668个计算单元，13449个计算节点，模型的示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 参数选取

为了简化模型，提高模型的计算效率，对研究洞段的围岩采用摩尔-库仑本构模型，支护结构混凝土按线弹性本构模型处理[6]；初支结构和二次衬砌的厚度分别为27、45cm，均采用板单元模拟；钢拱架采用的是间距1.0m的I20b型钢，采用梁单元模拟；系统锚杆的参数为直径22mm，长4.0m，采用植入式桁架单元定义；超前小导管的加固循环为6.0m，超前核心土加固注浆循环为18m。根据相关研究成果和工程经验[7]，在预加固完成之后，围岩的黏聚力、内摩擦角以及弹性模量可以分别提升90%、50%、95%左右。结合上述分析及工程资料，确定模型物理力学参数，见表1。

表1 模型物理力学参数

3 不同施工方法的计算结果与分析

3.1 位移变形

研究中利用上节构建的模型对4种不同施工方法条件下的研究洞段拱顶沉降变形和水平收敛变形进行模拟计算，结果见表2。由表2中的结果可知，面对穿越断层段的高地应力软岩隧洞，如果采用三台阶法、预留核心土法等传统的新奥法施工，拱顶沉降变形和边墙水平位移变形均较大，分别大于40、50mm。虽然预留核心土法对围岩变形的控制要好于三台阶法，但是需要对施工掌子面以及围岩进行多次干扰，因此对围岩的应力维持和塑性区的控制极为不利[8]；与上述2种传统新奥法相比，超前导洞扩挖施工在拱顶沉降控制方面具有明显优势，拱顶沉降量相比三台阶法和预留核心土法分别减小了53.14%和45.62%，但是边墙水平位移变化并不明显。究其原因，主要是正洞的扩挖会使围岩受到进一步扰动，不利于水平变形控制。新意法施工可以通过围岩预加固控制围岩变形并提高开挖进度。因此，相对于三台阶法、预留核心土法和超前导洞扩挖其他方法，拱顶沉降变形分别减小65.97%、60.53%和27.42%；水平收敛变形分别减小77.16%、71.26%、73.63%。总之，从位移变形控制角度来看，新意法为最佳施工方法[8- 11]。

表2 不同施工方法位移变形计算成果 单位：mm

3.2 掌子面挤出变形

在高地应力软岩隧洞开挖施工中，受到施工扰动和应力重新分布等因素的影响，施工掌子面往往会出现较大的挤出位移变形，并对施工安全造成不利影响。研究中利用构建的数值计算模型，对4种施工方法下的开挖掌子面挤出变形进行模拟计算，结果如图2所示。结果显示，三台阶法的掌子面挤出位移最大，为81.83mm，预留核心土法为44.56mm，超前导洞扩挖法为37.51mm，新意法最小，为8.24mm。新意法对于相对于前3种方法分别减小了89.93%、81.51%、78.03%。由此可见，新意法在控制掌子面挤出变形方面具有显著的优势。

图2 不同工法掌子面挤出变形计算结果(单位：mm)

3.3 围岩应力分析

利用构建的模型，对4种不同开挖施工方法下的隧洞围岩应力进行模拟计算，根据计算结果，整理获取拱顶、边墙和拱脚部位的水平和竖向应力，见表3。由表3中的计算结果可知，采用三台阶法情况下，水平应力和竖向应力的值最大，且在隧洞的拱脚部位存在高应力区；预留核心土法与三台阶开挖法比较相似，各部位的应力值比较接近，仅边墙部位的竖向应力值有较为明显的减小。究其原因，主要是施工过程中将施工掌子面划分为多个不同的施工断面，因此对水平应力的控制效果并不明显。超前导洞开挖法的开挖过程中，围岩应力经过超前导洞施工得到一定的释放，因此应力水平较三台阶法与预留核心土法有显著降低，总体下降了约40%左右。新意法由于经过超前支护的加固，围岩的应力最小。因此，从围岩应力水平的角度来看，新意法为最佳施工开挖方法[12- 15]。

表3 围岩应力计算结果 单位：MPa

3.4 初支应力分析

利用模型计算的方法对4种不同开挖施工方法下的初支应力进行计算，结果见表4。由表4中的结果可知，三台阶法与预留核心土法的初支应力计算结果比较接近，且应力值明显偏大。超前导洞扩挖法由于在正洞扩挖过程中可以释放一部分围岩应力，因此应力值相比前2种施工方法有显著降低。采用新意法施工过程中，基于超前小导管以及玻璃纤维锚杆加固等结构的超前支护作用影响，围岩与核心土的承载力得到明显提升，同时全断面的开挖方式还有助于围岩原生结构的维持，进而限制围岩内部塑性区的进一步发展，因此初支应力水平最低。因此，从初支应力视角来看，新意法为最佳施工方法。此外，4种施工方法下的初支应力模拟结果均较大，原因是模拟过程中将喷射混凝土与钢拱架视为一个弹性体，而钢拱架弹模与混凝土承压塑性屈服的结合导致模拟结果偏大。

表4 初支应力计算结果 单位：MPa

4 结语

本次研究以某输水隧洞D5洞段为例，利用数值模拟的方法对穿越糜棱岩破碎洞段的开挖施工方法进行优选研究。结果显示，采用新意法的围岩变形控制效果最好，围岩应力和初支应力最小，有助于缩短工期，降低施工成本，具有一定的技术和经济优势，建议在输水隧洞施工中采用。同时，本文的方法和结论对类似工程的施工设计也具有一定的借鉴价值。当然，本次研究也存在一定的不足。例如，本文选择摩尔-库仑本构模型进行数值模拟，没有考虑软岩的时空效应与流变特征，对结果的准确性存在一定的影响，需要在今后研究中进行完善。