输水隧洞近距隐伏断层洞段支护方案安全稳定评价_胡华松.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，胡华松输水隧洞近距隐伏断层洞段支护方案安全稳定评价水利科学与寒区工程，（）：输水隧洞近距隐伏断层洞段支护方案安全稳定评价胡华松（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 ）摘要：复杂地质环境地下洞室工程施工中需要选择科学、合理的支护方案，保证施工安全和工程质量。文章通过构建 有限元计算模型，利用数值模拟的方式探讨了某重点输水工程输水隧洞近距隐伏断层洞段支护方案。结果显示，工程设计中的开挖支护方案可以满足施工设计要求。关键词：输水隧洞；隐伏断层；开挖支护中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：胡华松（），男，辽宁大石桥人，助理工程师，主要从事水利工程建设管理工作。：。工程背景某输水工程是辽宁省“十四五”重点水利工程，工程建成后对优化辽宁省的水资源结构，提高辽宁省西北部的供水稳定性和安全性具有重要作用。该工程输水工程主要由输水隧洞和输水管线组成。其中干线输水隧洞标段 洞段为城门洞断面设计，净断面尺寸为 ，设计纵坡为 。该洞段隧道的地质条件极为复杂，存在错综复杂的断层分布，给线路选择和施工方案设计提出了较高的要求。其中，断层隧洞周围的大型断层，与隧洞的倾角为 ，经过线路位置优化，研究洞段并不直接穿越断层，但是与断层的最近距离仅为 。该断层含有大型破碎带，破碎带的力学性能极差，级围岩的占比超过。因此，必须要对开挖施工方案进行合理设计，保证施工人员的安全和工程质量。为了达到控制围岩稳定的目的，拟采用锚喷结构进行开挖支护。其中锚杆采用 钢筋，长 度 为 ，间 距 为 ，排 距 为 ，采用 普通硅酸盐水泥净浆注浆。钢筋网为直径 调直钢筋，双向间距均为 。喷射混凝土强度为 ，采用分层多次喷射的方式施工，喷护厚度为 。鉴于研究洞段围岩质量较差，隐伏断层破碎带的影响不容忽视，而开挖卸载也会导致围岩岩体不稳定。基于此，此次研究通过数值模拟的方式，对开挖支护方案的效果进行评价，为工程建设的顺利进行提供支持。有限元计算模型 模型的构建 是一款专门为岩土隧道有限元分析开发的软件，可以迅速完成对岩土和隧道结构的分析，可以提供多种分析功能和包括摩尔库伦、邓肯张等在内的 种本构模型，同时提供用户自定义本构模型。基于此，此次研究选择 有限元模型进行背景工程的计算模型构建。结合工程实际，研究中选择与隐伏断层距离最近的 断面作为研究对象。考虑到隧洞开挖对周边围岩的影响范围一般在隧洞中心点的倍洞径跨度，因此研究中 以隧洞中 心 周边倍 跨度作为模型的计算范围。模型的水平方向取 ，竖直方向 ，沿隧洞轴线方向取 。隧洞围岩岩体和衬砌混凝土采用实体单元进行模拟，锚杆采用锚索单元模拟，对构建的模型利用节点六面体单元进行网格划分，最终获得 个网格单元，个节点。计算参数与边界条件结合工程背景和研究需求，在模型计算中采用位移边界条件。其中，模型的四周施加水平位移约束，模型的底部施加全位移约束，模型的顶部为不施加位移约束，为自由边界条件。根据工程特点，在模型计算中将力学模型简化为平面应变问题，围岩的本构模型采用摩尔库伦本构模型，喷射混凝土采用线弹性模型，分别计算获取隧洞在开挖支护条件下应力分布和变形特征，对施工方案的效果和可行性做出科学评价。在数值模型计算过程中，材料物理力学参数会对计算结果的科学性和有效性造成显著影响。因此，选择合理的模型参数具有重要意义。此次研究中结合相关施工规范中的要求和背景工程的前期地质调查资料，确定如表所示的模型材料物理力学参数。表模型材料物理力学参数材料类型弹性模量 泊松比容重 黏聚力 内摩擦角（）围岩岩体 锚杆 喷射混凝土 计算结果与分析 应力分析 最大主应力为了分析输水隧洞开挖前后衬砌结构对围岩的影响，利用构建的有限元模型对直接开挖和开挖后进行模拟，获得衬砌前后围岩的最大主应力云图。由计算结果可知，支护前输水隧洞围岩的最大主应力值为 ，支护后围岩的最大主应力值为 ，最大主应力增加且应力的方向相反。支护后衬砌结构的最大主应力主要集中在衬砌的拱脚部位，为 。竖向应力分析在应力模拟计算结果中提取隧洞衬砌前后各个关键部位的竖向应力值，结果如表所示。由表中的计算结果可以看出，研究洞段在施作衬砌之后，拱 顶 部 位 的 竖 向 应 力 值 明 显 增 大，由 增 加 到 ，增 加 了 约 。其余各个部位的应力值均呈现出减小的变化特点，其中左拱腰的减小幅度最大，由衬砌前的 减小到衬砌后的 ，减小了约 。拱底、右拱腰、左拱脚和右拱脚的减小幅度较为有限。表关键部位竖向应力计算结果 衬砌部位竖向应力衬砌前衬砌后衬砌部位竖向应力衬砌前衬砌后拱顶 右拱腰 拱底 左拱脚 左拱腰 右拱脚 水平应力分析在应力模拟计算结果中提取隧洞衬砌前后各个关键部位的水平应力值，结果如表所示。由表中的计算结果可以看出，研究洞段在施作衬砌之后，拱顶和拱底部位的水平应力值有一定的增加。其中拱顶部位的水平应力值由 增加到 ，增加了约 ；拱底部位的水平应力值由 增加到 ，增加了约 。其余各个部位的水平应力值均呈现出减小的变化特点，其中左拱腰的减小幅度最大，由衬砌前的 减小到衬砌后的 ，减小了约 。右拱腰、左拱脚和右拱脚的减小幅度相对较小。表关键部位水平应力计算结果 衬砌部位水平应力衬砌前衬砌后衬砌部位水平应力衬砌前衬砌后拱顶 右拱腰 拱底 左拱脚 左拱腰 右拱脚 位移分析 总位移分析为了进一步分析输水隧洞开挖前后衬砌结构对围岩的影响，利用构建的有限元模型对直接开挖和开挖后的支护系统总位移进行模拟计算，获得如表所示的隧洞关键部位衬砌前后围岩位移。由表可知，研究洞段在衬砌之后各关键部位的总位移量均有不同程度的减小。其中，拱顶部位的水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷减小幅度最大，由衬砌前的 减小到衬砌后的 ，减小了约 ，其余各部位的减小幅度较为有限。表关键部位总位移计算结果衬砌部位总位移衬砌前衬砌后衬砌部位总位移衬砌前衬砌后拱顶 右拱腰 拱底 左拱脚 左拱腰 右拱脚 竖向位移利用构建的有限元模型对直接开挖和开挖后的支护系统竖向位移进行模拟计算，获得如表所示的隧洞关键部位衬砌前后围岩竖向位移。由表可知，研究洞段在衬砌之后各关键部位的竖向位移量均有不同程度的减小。其中，拱顶部位的减小幅度最大，由衬砌前的 减小到衬砌后的 ，减小了约 ，其余各部位的减小幅度较为有限。从不同部位的竖向位移量对比来看，拱顶部位的竖向位移量最大，其次是拱脚部位，拱底部位的竖向位移量最小。表关键部位竖向位移计算结果衬砌部位竖向位移衬砌前衬砌后衬砌部位竖向位移衬砌前衬砌后拱顶 右拱腰 拱底 左拱脚 左拱腰 右拱脚 水平位移利用构建的有限元模型对直接开挖和开挖后的支护系统水平位移进行模拟计算，获得如表所示的隧洞关键部位衬砌前后围岩水平位移值。由表可知，研究洞段在衬砌之后各关键部位的水平移量均有不同程度的减小，但是减小的幅度均比较有限。从不同部位的水平位移量对比来看，拱腰部位的水平位移量最大，其次是拱脚部位，拱顶和拱底部位的水平位移量最小。表关键部位水平位移计算结果衬砌部位水平位移衬砌前衬砌后衬砌部位水平位移衬砌前衬砌后拱顶 右拱腰 拱底 左拱脚 左拱腰 右拱脚 结论此次研究通过构建 有限元计算模型，利用数值模拟的方式探讨了某重点输水工程输水隧洞近距隐伏断层洞段支护方案。结果显示，添加喷护能够有效地减小隧道施工过程中围岩脱落现象，保证了施工的安全。在研究洞段衬砌之后，各关键部位的位移量均有不同程度的减小，且拱顶部位的减小幅度较大。但是，在衬砌施工过程中，拱脚部位存在一定的应力集中现象，这与实际工程中拱脚易破坏的情况相吻合。因此，建议在施工过程中在拱脚部位添加腋角，将集中的应力通过其分散到上下顶板和拱腰连接的部位，减小拱脚的应力集中。参考文献：孙本胜输水隧洞支护结构热力学参数敏感性分析中国水能及电气化，（）：李卓让压锚杆在深埋软岩输水隧洞的支护效应与应用东北水利水电，（）：，刘韬输水隧洞严重挤压变形段让压支护体系关键设计参数研究中国水能及电气化，（）：方东明白石输水隧洞支护设计优化研究与应用中国水能及电气化，（）：，陈洲，王建国，丁红春，等龙开口电站 号输水隧洞支护及塌方治理技术三峡大学学报（自然科学版），（）：王智虎某输水线路上无压输水隧洞群标准化设计研究水利科技与经济，（）：，师源清开供水工程输水隧洞段改造设计东北水利水电，（）：朴春红大伙房输水工程特长隧洞衬砌选型及支护系统优化研究水利建设与管理，（）：第期胡华松输水隧洞近距隐伏断层洞段支护方案安全稳定评价