引水隧洞进口管棚超前支护参数优化研究

夏治涛

(新疆伊犁河流域开发建设管理局 新疆 伊犁 835000)

1 工程背景

某灌溉补偿供水工程全程输水线路长度4006m，隧洞进口排水汇集工程蓄引水池引水的盖板暗涵采用钢筋混凝土结构，长98.4m；隧洞3条，采用城门洞型断面，钢筋混凝土衬砌，总长3439.7m；穿沟倒虹2座，采用地埋管道形式，总长295.9m，管道型号为DN400PE管。灌溉供水采用从输水管道末端接DN125PE管经加压泵站加压后接入原有灌溉管网，安装水泵1台套，埋设DN125PE管320m。

受到工程项目区地形和地质条件的限制，2号输水隧洞在线路设计过程中虽然避开了山体中的DC02大型构造性断层，但是隧洞的设计线路周边的地质环境仍然欠佳，基本处于弱风化岩层中，洞身的围岩类别以Ⅲ类为主，局部岩层中分布有数量不等强风化流纹岩，给开挖施工造成移动的技术困难[1]。特别是进口段200m以内的岩层类别为Ⅳ类，自稳性较差。因此在项目施工设计中拟采用管棚超前支护方案，保证施工的顺利进行[2]。针对上述工程背景，此次研究利用数值模拟的方法，对管棚支护参数进行优化，为具体的施工设计提供有益的支持和借鉴。

2 FLAC3D有限元计算模型

2.1 模型的构建

FLAC软件是一款大型通用有限元软件，最早由美国的ITASCA公司开发，开发之之初推出的是的FLAC2D二维有限元软件，之后对该软件进行升级拓展，进一步推出了FLAC3D三维有限元软件[3]。FLAC3D与FLAC2D相比，具有更为强大的模拟计算功能，可以对工程研究领域的绝大部分材料流动和塑性破坏问题进行模拟研究，具有广泛的工程适用性。基于此，此次研究选择FLAC3D软件进行背景工程的计算模型构建[4]。结合FLAC3D软件的特点，特别是前处理功能方面的弱点，研究中首先利用CAD软件进行几何模型的构建，然后利用ANSYS软件进行网格单元划分，在将构建的网格单元模型导入FLAC3D中[5]。

按照前期的工程设计，隧洞为城门洞型断面设计，其进口段的高度为4.5m，宽度为3.0m。根据相关研究成果，隧洞开挖对围岩的影响大约为洞径的三至五倍。此次研究中将模型左右两侧模拟范围设置为5倍洞径。由于进口段上方的埋深较浅，因此直接计算至地表，模型的下方向下取3倍洞径[6]。在几何模型的构建过程中，将输水隧洞进口段底板的中心设为坐标原点，以开挖方向为Y轴的正方向，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X轴正方向。在模型的网格剖分过程中，利用Solid45实体单元模拟输水隧洞的围岩和衬砌混凝土结构，利用Cable单元模拟锚杆，利用Beam单元模拟管棚结构[7]。对构建的几何模型利用六面体八节点单元进行网格剖分，对计算结果影响较大的开挖区域和围岩表层进行必要的加密处理，最终整个模型划分为25194个网格单元，26473个计算节点。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 约束条件与计算参数

模型的约束条件是计算结果的重要影响因素，结合工程实际和研究需要，对模型的底部施加全位移约束条件，对模型的侧面施加水平位移约束条件，模型的上部为自由边界条件[8]。模型计算过程中利用自重应力场模拟初始应力场。关于模型参数，在研究中主要结合相关工程施工规范以及现场采样试验获取，最终确定的模型计算参数如表1所示。模型的初始应力场按照自重应力场计算[9-11]。研究中结合前期的地质调查资料，并将钢拱架的弹性模量等效换算到初支结构中，对管棚的弹性模量进行折减计算，最终确定如表1所示的计算参数。

表1 模型计算参数表

3 计算结果与分析

3.1 环向间距

在模拟计算过程中，保持管棚长度40m、管径120mm两个参数不变，对40cm、50cm、60cm、70cm和80cm等5种不同管棚环向间距下的围岩竖向位移和水平位移以及地表的沉降位移进行计算，根据计算结果绘制出位移量随管棚环向间距的变化曲线。由图2可以看出，随着环向间距的增大，拱顶沉降变形、地表沉降变形以及边墙水平位移变形量均呈现出不断增大的变化特点，说明管棚的环向间距是位移变形的重要影响因素。从具体的变化特点来看，当管棚间距小于60cm时，地表沉降变形、拱顶沉降变形以及边墙水平位移变形的位移量增长比较缓慢，而管棚间距>60cm时，变形量的增长速率明显加大。以地表沉降变形为例，当管棚环向间距由40cm增加到60cm时，其地表沉降变形量由25.2mm增加到27.9mm，增加了约10.7%；当管棚环向间距由60cm增加到80cm时，其地表沉降变形量由27.9mm增加到42.8mm，增加了约53.4%；结合计算结果和工程的经济性，管棚间距应该以60cm为最佳。

图2 位移量随环向间距变化曲线

3.2 管棚管径

为了研究管棚管径对围岩稳定性的影响，研究中保持管棚环向间距60cm、管棚长度40m两个参数不变，选择90mm、120mm、150mm、180mm和210mm等5种不同的管棚管径进行模拟计算，根据计算结果，绘制出如图3所示的典型部位位移量随管棚直径的变化曲线。由图可知，随着管棚管径的增大，拱顶沉降变形、地表沉降变形以及边墙水平位移变形量均呈现出不断减小的变化趋势，说明增加管棚的管径对控制关键部位的位移变形具有明显的作用。从具体的变化特征来看，当管棚的管径<150mm时，各关键部位的位移量下降比较明显，当管棚管径>150mm时，各关键部位的位移量变化相对较小。仍以地表沉降变形为例，当管棚管径由90cm增加到150cm时，其地表沉降变形量由32.8mm减小到23.1mm，减小了约29.6%；当管棚管径由150cm增加到210cm时，其地表沉降变形量由23.1mm减小到19.7mm，减小了约14.7%；结合计算结果和工程的经济性，管棚管径以150cm为最佳。

图3 位移量随管棚管径变化曲线

3.3 管棚长度

为了研究管棚管径对围岩稳定性的影响，研究中保持管棚环向间距60cm、管棚管径150cm不变，选择10m、20m、30m、40m和50mm等5种不同的管棚长度进行模拟计算，根据计算结果，绘制出如图4所示的典型部位位移量随管棚长度的变化曲线。由图可知，随着管棚长度的增大，拱顶沉降变形、地表沉降变形均呈现出不断减小的变化趋势。从具体的变化特征来看，当管棚的管径<30m时，各关键部位的位移量下降比较明显，当管棚管径>30m时，各关键部位的位移量变化相对较小。以地表沉降变形为例，当管棚长度由10m增加到30m时，其地表沉降变形量由35.3mm减小到24.2mm，减小了约31.4%；当管棚管径由30m增加到50m时，其地表沉降变形量由24.2mm减小到21.9mm，减小了约9.5%；整体来看。边墙的水平位移量变化较小，说明管棚长度对边墙位移变形的影响较小，对优化计算结果影响不大。结合计算结果和工程的经济性，管棚长度以30m为最佳。

图4 位移量随管棚长度变化曲线

4 结 论

此次研究利用数值模拟的方法，对某灌溉补偿供水工程引水隧洞进口管棚超前支护参数优化研究，获得的研究结论如下：

1)拱顶沉降变形、地表沉降变形以及边墙水平位移变形量随着管棚环向间距的增大而增大，且管棚间距>60cm时，变形量的增长速率明显加大。

2)拱顶沉降变形、地表沉降变形以及边墙水平位移变形量随着管棚管径的增大而减小，且管棚管径>150mm时的减小幅度较为有限。

3)拱顶沉降变形、地表沉降变形随着管棚长度的增大而减小，且管棚长度>30m时的减小幅度较为有限。管棚长度对边墙位移变形的影响较小。

4)结合研究成果和工程的经济性，建议采用60cm的管棚间距、150mm的管棚管径以及30m的管棚长度。