超前小导管施工设计参数对围岩沉降的影响分析.pdf

DOI:1016616/jcnki11-4446/TV20230909超前小导管施工设计参数对围岩沉降的影响分析刘瑞强(江西赣禹工程建设有限公司,江西 南昌 337100)【摘 要】水工隧洞工程施工过程中,因围岩条件复杂,易产生坍塌、渗漏水等质量问题,故隧洞围岩的处理至关重要。超前小导管因其设备简单、操作灵活被广泛应用。本文以苗尾水电站导流隧洞为例,研究超前小导管的外插角度、布置间距和布置范围对隧洞围岩变形的影响,从而选择最优化的超前小导管施工设计参数。研究结论可为类似工程提供借鉴。【关键词】隧洞;超前小导管;沉降;变形;通用岩土有限元分析软件(MIDAS GTS NX)中图分类号:TV554+.2 文献标志码:B 文章编号:2097-0528(2023)09-055-05Analysis of the influence of advanced small duct constructiondesign parameters on surrounding rock settlementLIU Ruiqiang(Jiangxi Ganyu Construction Co,Ltd,Nanchang 337100,China)收稿日期:2023-01-16作者简介:刘瑞强(1984),男,本科,工程师,主要从事水利水电施工管理工作。Abstract:During the construction process of hydraulic tunnel projects,complex surrounding rock conditions can lead toquality issues such as collapse and water leakage.Therefore,the treatment of tunnel surrounding rock is of vitalimportance.Advanced small duct is widely used due to its simplicity and flexibility in equipment and operation.This papertakes the diversion tunnel of Miaowei Hydropower Station as an example to study the influence of the external insertionangle,layout spacing,and layout range of the advanced small duct on the deformation of the tunnel surrounding rock.Thegoal is to determine the optimal construction design parameters for the advanced small duct.The research conclusions canprovide valuable reference for similar projects.Keywords:tunnel;advanced small duct;settlement;deformation;MIDAS GTSNX1 引 言隧洞工程因地理位置或天气降雨等因素影响,多存在大量围岩地质问题,易发生坍塌、渗漏水、衬砌强度不足等质量问题1,对施工安全和工程质量产生极大影响。因此,如何提高水工隧洞围岩的强度和稳定性是整个水利工程顺利实施的关键。目前,软弱围岩超前支护的主要类型有超前小导管、超前锚杆、超前管棚、超前预注浆、掌子面全封闭等2,其中超前小导管的施工设备最为简单,灵活性最55强,且对于松散软弱岩体和含水量大的围岩,可根据具体的地质条件随时变动注浆比例和密度,适应性更强,因此广泛应用于水利调水工程和公路隧洞工程施工中。超前小导管施工示意图见图 1。图 1 超前小导管施工示意图超前小导管的外插角度、布置间距、布置范围等参数的变化都会影响最终支护效果3。本文以苗尾水电站的导流隧洞为例,对超前小导管的支护效果进行研究,优化设计参数,以期达到最优的支护效果。2 模型构建2 1 软件介绍MIDAS GTS NX(New eXperience of Geo-Technicalanalysis System)是一款韩国开发的采用有限元法对岩土进行静动力分析、渗流稳定分析、应力应变分析、阶段性分析等的通用类有限元分析软件,系统可提供多个 常 用 的 本 构 模 型,包 括 Duncan-Chang 模 型、Cambridge 模型等,用户也可以自定义本构模型,实现快速建模、汉化交互式操作以及强大的三维可视化分析,是一款功能齐全、应用广泛的建模软件4-5。本文利用 MIDAS GTS NX 构建模型,对超前小导管的各参数变化进行分析。2 2 建立数值分析模型本文以苗尾水电站的导流隧洞为例进行建模,依据施工组织设计和勘测报告,隧道地处剥蚀丘陵地貌区,岩石裂隙节理发育,围岩稳定性较差,多为级围岩。导流隧洞进口为渐变形式,最大开挖断面尺寸为22 50m21 15m(宽高),以最大开挖断面作为典型测量断面进行计算模拟,计算模型取 50m23m21m(长宽高),岩土模型取 100m60m96m(长宽高)。模拟假定围岩性质单一,采用 Mohr-Coulomb 本构模型进行模拟。超前小导管视为弹性体,初始模拟数值为直径 42mm,长 4 5m,外插角 15,布置间距400mm,布设范围 150。本次建模共计 61589 个节点,80867 个单元,有限元模型图 2 和图 3。图 2 隧洞整体网格图图 3 超前小导管模型2 3 数值参数设定模型中各材料的具体参数见表 1。表 1 模型材料力学参数名 称重度/(kN/m3)弹性模量E/GPa泊松比 黏聚力c/kPa内摩擦角/()超前小导管78 52100 30注浆加固区222 00 353526级围岩191 00 4016222 4 计算方法因为施工过程中,超前小导管的施工设备都是选择好的,常用的小导管直径为 42mm,施工长度为4 5m6,因此不对以上两项进行分析,仅从超前小导管的外插角度、布置间距、布置范围三个方面采用控制65单一变量的方法,对比分析不同工况下围岩的沉降和水平位移情况,以分析各因素对支护效果的影响7-8。模型初始模拟数值为直径 42mm,长 4 5m,外插角15,布置间距 400mm,布设范围 150。模拟工况中超前小导管外插角度取值 5 30,布置间距取 200 600m,布置范围取 110 170。3 计算结果与分析3 1 管径参数分析结果超前小导管的外插角取值范围为 5 30,以 5为一档共取 6 个工况进行模拟,图 4 为外插角为 5和30时的围岩沉降和水平位移云图。图 4 不同外插角时的围岩沉降和位移云图 根据模型模拟计算结果,得到不同外插角情况下的隧洞围岩沉降和水平位移情况,见表 2;并绘制外插角与围岩变形关系图,见图 5。表 2 不同外插角下的围岩沉降和位移情况外插角度/()51015202530拱顶沉降/mm2 512 051 651 461 411 40地表沉降/mm0 350 310 250 230 230 23相对水平位移/mm6 015 485 024 654 504 41图 5 外插角与围岩变形关系 从表 2 和图 5 分析可知,当超前小导管的外插角从 5增加到 30时,周围围岩的拱顶沉降和相对水平位移都在逐渐减少,外插角为 5 20时变化较为剧烈,当外插角大于20时,变形趋势有明显的降低,其中拱顶沉降变化范围为 2 51 1 40mm,减少了 1 11mm,外插角为5 20时,减少了1 05mm;相对水平位移变化范围为 6 01 4 41mm,减少了 1 60mm,外插角为5 20时,减少了 1 36mm;而地表沉降先逐渐减小,当外插角大于 20时稳定在 0 23mm。由此看见,外插角的变化对拱顶沉降和相对水平位移影响较大,对地表沉降影响不大,当外插角大于 20时,外插角的变化对于围岩变形的影响已减缓。因此,选择超前小导管外插角 20为最优设计方案9。3 2 布置间距参数分析结果超前小导管的布置间距取值范围为 200 600mm,以 1m 为一档共取 5 个工况进行模拟,图 6 为布置间距为 200mm 和 600mm 时的围岩沉降和水平位移云图。根据模型模拟计算结果,得到不同布置间距情况下的隧洞围岩沉降和水平位移情况,见表 3;并绘制布置间距与围岩变形关系图,见图 7。75刘瑞强/超前小导管施工设计参数对围岩沉降的影响分析 图 6 不同布置间距时的围岩沉降和位移云图表 3 不同布置间距下的围岩沉降和位移情况布置间距/mm200300400500600拱顶沉降/mm2 292 452 632 903 10地表沉降/mm0 320 300 290 310 27相对水平位移/mm5 245 485 635 875 97图 7 布置间距与围岩变形关系 由表 3 和图 7 可知,当超前小导管的布置间距从200mm 增加到 600mm 时,周围围岩的拱顶沉降和相对水平位移都在逐渐增大,但是变化幅度均不太,其中拱顶沉降变化范围为 2 29 3 10mm,增加了 0 81mm,变化幅度为 26 20%;相对水平位移变化范围为 5 24 5 97mm,增加了 0 73mm,变化幅度为 12 22%;而地表沉降围绕 0 30mm 周围呈不规则变化。由此看见,布置间距的变化对拱顶沉降和相对水平位移有一定影响,但影响程度不大,对地表沉降几乎没有影响。因此考虑施工难度和工程经济性,选择超前小导管布置间距 400mm 为最优设计方案。3 3 布置范围参数分析结果超前小导管的布置范围取值为110 180,以10为一档共取 7 工况进行模拟,图 8 为布置范围为 110和 180时的围岩沉降和水平位移云图。根据模型模拟计算结果,得到不同布置间距情况下的隧洞围岩沉降和水平位移情况(见表 4),并绘制布置间距与围岩变形关系图(见图 9)。85图 8 布置间距时的围岩沉降和位移云图表 4 不同布置间距下的围岩沉降和位移情况布置范围/()110120130140150160170180拱顶沉降/mm4 29 3 93 3 63 3 12 2 90 2 76 2 53 2 10地表沉降/mm0 40 0 36 0 34 0 32 0 31 0 28 0 26 0 25相对水平位移/mm 7 62 7 15 6 50 5 87 5 03 4 41 4 12 3 99图 9 布置间距与围岩变形关系 由表 4 和图 9 可知,当超前小导管的布置范围从110增加到 180时,周围围岩的拱顶沉降、地表沉降和相对水平位移都在逐渐减小,其中拱顶沉降变化范围为 4 29 2 10mm,减少了 2 19mm;地表沉降变化范围为 0 40 0 25mm,减少了 0 15mm;相对水平位移变化范围为 7 62 2 10mm,减少了 3 63m。当超前小导管布置范围超过150时,拱顶沉降下降趋势有明显减缓,相对水平位移下降趋势略有减缓,并可知超前小导管的布置范围越大10,对围岩的加固效果越好,产生的沉降和位移越小。但是如果超前小导管布设范围过大,将不利于隧洞初期支护结构的施工,使得施工难度大大提升,并提高施工成本11-12,因此综合考虑施工能力和经济效益,选择超前小导管布置范围 150为最优设计方案。(下转第 64 页)95刘瑞强/超前小导管施工设计参数对围岩沉降的影响分析 从而为地下洞室在岩爆、软弱滑层等地质条件下的应对措施、设计优化提供了进一步的依据。另外,在中空涨壳式预应力锚杆的应用效果研究过程中,还有其他需要总结和不足的地方,有待进一步研究,主要是:a 在施加预应力方面:由于试验作业洞段埋深大、地应力高,属于岩爆区域,出于安全考虑和采用的风动扳手加力有限,施加的预应力相对较小,造成结果的可参考性相对有限,对试验结果或有一定影响,在今后的试验中会考虑采用大型号风动扳手进行加力。b 在注浆方面:在试验过程中,由于预应力施加完成后须迅速注浆达到注浆强度,否则会发生滞后性岩爆,出于安全考虑采用活塞式注浆泵使注浆压力不足,造成结果的可参考性相对有限,下阶段考虑更换为螺旋式注浆泵,以提高效率。参考文献1 STACEY T R.Dynamic rock failure and its containmentC/Proceedings of the First International Conference on RockDynamics and Applications.Lausanne:CRC Press,2013:57-70.2 钱七虎.岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型J.岩土力学,2014,35(1):1-6.3 卢小刚.涨壳式预应力中空锚杆的研究与应用.铁道建筑技术J.2009(11):96-98,121.4 朱汉华,杨建辉,尚岳全.隧道新奥法原理与发展J.隧道建设,2008(1):11-14.5 凌振国.利用新奥法原理开展某高速公路隧道施工的经验及体会J.工程建设与设计,2018(19):208-210.6 任志强.输水隧洞支护施工及围岩稳定性分析J.黑龙江水利科技,2022,50(7):41-42.7 冯璐.浅埋隧洞穿越不良地质段技术方案优化研究J.水利建设与管理,2020,40(2):57-61.8 杨井国,王鑫.隧洞洞内长大管棚处理复杂地质突发大塌方体施工技术J.水利建设与管理,2022,42(6):1-4.9 付锐,毛宗娇,张卓涵,等.围岩坚硬程度影响下隧道砂浆锚杆拉拔试验J.四川建筑,2022,42(5):159-161.10 丁克,庄维刚.锚杆支护下引水隧洞稳定性分析J.水利科技与经济,2022,28(8):44-48.(上接第 59 页)4 结 语本文采用 MIDAS GTS NX 系统对苗尾水电站的导流隧洞进行模拟,通过控制单一变量法,分析超前小导管的外插角、布置间距和布置范围的变化对围岩沉降和位移的影响,最终确认的最优设计方案为直径 42mm,长 4 5m,外插角 20,布置间距 400mm,排距 2m,布设范围 150。通过施工期间的实时监测,在施工过程中围岩未发生较大的变形以及边坡滑动。目前,工程已施工完成并投入运行,通过对周围岩体的观测,隧洞周围岩体的变形速率和拱顶允许下沉速率均在相关规范要求内,说明超前小导管超前支护效果稳定。参考文献1 肖勇锋.超前小导管技术在隧道施工中的应用J.交通世界,2020(34):123-124.2 张蓓,王建鹏,王复明,等.隧道超前小导管对掌子面稳定性影响分析J.郑州大学学报(工学版),2009,30(4):30-34.3 刘勇.超前小导管在隧道超前支护施工中的应用研究J.科学技术创新,2020(15):122-123.4 王芝银,袁鸿鹄,汪德云,等.基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法J.工程地质学报,2013,21(1):143-148.5 刘运生,董敏.超前小导管参数对超前支护的影响分析J.都市快轨交通,2013,26(1):97-99.6 魏纲,姚王晶,许斌,等.软土地区浅埋暗挖大断面隧道拱顶沉降实测分析J.隧道建设(中英文),2018,38(7):1123-1130.7 徐孔华.隧道施工开挖拱顶沉降数值模拟J.中国标准化,2018(18):227-228.8 王屹久.水工隧洞围岩变形与应力数值模拟分析J.水利技术监督,2022(2):200-203.9 曾飞.基于 ANSYS 的水工隧洞围岩稳定性分析J.科学咨询(科技 管理),2015(7):46-47.10 王珏.软弱围岩隧道超前小导管支护参数分析及应用研究D.重庆:重庆交通大学,2016.11 孙亚朋.超前小导管在隧道开挖过程中支护机理的研究D.郑州:河南工业大学,2016.12 王建鹏.隧道超前小导管作用机理及影响因素分析D.郑州:郑州大学,2009.46