魏彥軍，薛興祖，汪 濤

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021)

在地下洞室施工過程中，圍巖穩(wěn)定性判斷、地質(zhì)力學(xué)參數(shù)選擇、滲流場分析以及開挖順序、支護(hù)方式、噴錨襯砌時機(jī)、圍巖塑性變形影響等均是地下工程設(shè)計、施工的關(guān)鍵。

為驗證設(shè)計方案的合理性，需全面了解施工全過程地下洞室圍巖的變形、受力特征以及塑性開裂區(qū)和圍巖穩(wěn)定狀況。本文結(jié)合吉林省中部城市供水工程隧洞區(qū)域的地形、地貌和地質(zhì)特征，以及施工過程中的開挖、支護(hù)方式，建立TBM安裝間的有限元計算模型，從施工開挖到支護(hù)襯砌進(jìn)行全過程的仿真分析與研究。

1 工程概況及仿真分析方案

1.1 工程概況

吉林省中部城市供水工程是解決中部城市供水問題的大型調(diào)水工程，也是實現(xiàn)松遼流域水資源優(yōu)化配置的主要工程。輸水總干線從豐滿水庫取水，終點為馮家?guī)X分水樞紐，全程110.483km。工程永久性主要水工隧洞級別為1級。

輸水隧洞樁號0+000～71+469段采用TBM法和鉆爆法結(jié)合施工。其中，TBM2施工段位于樁號25+581～47+800段，全長22.219km。TBM2安裝間進(jìn)口位于樁號47+800。隧洞全程地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越山嶺地區(qū)，屬深埋隧洞。其中TBM2安裝間頂部山嶺高程389.00m，安裝間底高程220.00m，埋深169.00m。TBM2段設(shè)計掘進(jìn)洞徑7.65m，安裝間頂拱開挖半徑11.40m，中心角69°；安裝間兩側(cè)直墻開挖寬度11.40m，高9.18m；兩側(cè)直墻頂部開挖成支座平臺，寬0.90m，高3.14m，待二次襯砌后，架設(shè)橋吊。安裝間拱頂?shù)蕉吹卓偢?4.32m，拱跨12.90m，屬地下大洞室結(jié)構(gòu)。

1.2 地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)及支護(hù)參數(shù)

1.2.1 Ⅱ類圍巖地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)

本文分析的TBM2安裝間位于Ⅱ類圍巖地段。地貌為丘陵及河谷，山勢較陡，植被發(fā)育，河谷常年流水。巖性為燕山早期石英閃長巖，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為斜長石、角閃石、黑云母和少量石英。Ⅱ類圍巖地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 Ⅱ類圍巖地質(zhì)力學(xué)設(shè)計指標(biāo)

1.2.2 安裝間支護(hù)參數(shù)

由于TBM2安裝間處于Ⅱ類圍巖地段，圍巖自穩(wěn)性較強(qiáng)，擬采用全斷面法開挖。洞室斷面開挖后，即進(jìn)行一次支護(hù)，拱頂C20噴射混凝土200mm，邊墻C20噴射混凝土150mm；頂拱布置Φ25錨桿，長4.0m，梅花形布置，間距為1000；邊墻布置Φ25錨桿，長6.0m，梅花形布置，間距為1000。二次襯砌兩側(cè)邊墻模筑C25F200W4鋼筋混凝土500mm，洞底模筑C25F200W4鋼筋混凝土300mm。

1.3 有限元模型

有限元模型坐標(biāo)系為：x坐標(biāo)位于隧洞中心；y坐標(biāo)與大地坐標(biāo)系重合，指向上為正；z坐標(biāo)與洞室軸線重合，指向下游為正。因安裝間埋設(shè)較深，計算網(wǎng)格模型僅截取其所在巖層部分顯示，如圖1所示。

圖1 TBM2安裝間有限元計算模型

1.4 仿真分析方案

隧道工程的設(shè)計方法主要有：結(jié)構(gòu)力學(xué)法、巖石力學(xué)法、經(jīng)驗類比法及信息化設(shè)計方法。

載荷-結(jié)構(gòu)模型是基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，此法將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為載荷來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承。圍巖-結(jié)構(gòu)模型是基于巖石力學(xué)的計算方法，此法將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖視為一體，作為共同承載的結(jié)構(gòu)體系。圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只用來約束和限制圍巖變形。

對于幾何形狀和圍巖初始應(yīng)力、地質(zhì)條件都比較復(fù)雜的地下工程，需要考慮圍巖的各種非線性特征和穩(wěn)定性影響。利用圍巖-結(jié)構(gòu)模型能確定圍巖的初始應(yīng)力場，以及表示材料非線性的各種參數(shù)及其變化情況。

2 仿真分析

本文計算成果包括：毛洞初始地應(yīng)力圖、洞室開挖襯砌后的位移變形圖、x向應(yīng)力分布圖、y向應(yīng)力分布圖、第一主應(yīng)力分布圖及第三主應(yīng)力分布圖等。

2.1 初始地應(yīng)力場

圖2 x向初始地應(yīng)力云圖

初始應(yīng)力場計算結(jié)果如圖2～5所示。由圖2可見，x向初始應(yīng)力在拱腰和兩側(cè)直墻墻腰處最大，為-4.27MPa；拱腳及直墻墻角為-1.78MPa。

因此，浸出中上清加入大量的鋅粉進(jìn)行一段凈化反應(yīng)時，中上清中銅鎘等雜質(zhì)被置換進(jìn)入銅鎘渣中，部分鈷也被置換進(jìn)入銅鎘渣中。銅鎘渣經(jīng)過綜合回收銅、鎘后得到貧鎘液，貧鎘液返回系統(tǒng)，如此反復(fù)，一部分鈷在系統(tǒng)內(nèi)部閉路循環(huán)而積累。

圖3 y向初始地應(yīng)力云圖

由圖3可見，y向應(yīng)力在拱腰和洞底中心處最大，為-11.70MPa；拱腳和直墻兩側(cè)為-5.99MPa。

圖4 第3主應(yīng)力云圖

由圖4可見，第3主應(yīng)力在墻角處最大，為-2.46MPa；頂拱及直墻兩側(cè)為-1.88MPa。

圖5 第1主應(yīng)力云圖

由圖5可見，第1主應(yīng)力在拱腰和洞底中心處最大，為-12.90MPa；拱頂及直墻兩側(cè)為-4.71MPa。

2.2 施工開挖與支護(hù)

施工開挖與噴錨支護(hù)計算結(jié)果如圖6～11所示。

圖6 噴錨支護(hù)后x向位移

由圖6可見，x向位移在兩側(cè)直墻墻腰處最大，為0.66mm。

圖7 噴錨支護(hù)后y向位移

由圖7可見，y向位移在拱頂處最大，為-13mm；洞底為+7.8mm。

圖8 噴錨支護(hù)后x向應(yīng)力云圖

圖9 噴錨支護(hù)后y向應(yīng)力云圖

由圖9可見，y向應(yīng)力在拱腳和直墻墻角處最大，為-9.78MPa；直墻兩側(cè)為-4.29MPa；洞頂和洞底為-0.62MPa。

圖10 噴錨支護(hù)后第3主應(yīng)力云圖

由圖10可見，第3主應(yīng)力在拱腳和墻角處最大，為-1.95MPa；頂拱為-0.99MPa；洞底為+0.52MPa。

圖11 噴錨支護(hù)后第1主應(yīng)力云圖

由圖11可見，第1主應(yīng)力在拱腳和墻角處最大，為-7.73MPa；頂拱及洞底中心為-0.92MPa。

3 成果分析

3.1 圍巖位移

(1)由y向位移云圖可以看出，在初始地應(yīng)力作用下，洞室開挖支護(hù)后的豎向位移以中心軸對稱，拱頂位移呈漏斗狀分布，在兩側(cè)趨于平行。洞頂沉降位移大于底部回彈位移，左、右側(cè)邊墻變形較小。

(2)由x向位移云圖可以看出，洞周收斂位移較小，最大拱頂下沉也較小，說明洞室施工過程中圍巖穩(wěn)定。

(3)雖然安裝間開挖跨度較大，但所處地段為Ⅱ類圍巖，圍巖自穩(wěn)能力較強(qiáng)，在混凝土噴錨支護(hù)作用下，隧洞整體變形小，初擬襯砌方式能夠滿足設(shè)計要求。

3.2 圍巖應(yīng)力

本文計算給出了毛洞和噴錨支護(hù)兩種工況下洞周圍巖最大應(yīng)力和最小應(yīng)力分布情況。從結(jié)果可以看出：

(1)洞周圍巖應(yīng)力以壓應(yīng)力為主。圍巖應(yīng)力主要發(fā)生在洞室拱腳和兩側(cè)邊墻中下部區(qū)域，在洞底局部發(fā)生拉應(yīng)力，但數(shù)值很小。

(2)在噴錨支護(hù)作用下，洞周圍巖應(yīng)力集中效應(yīng)緩解，洞周圍巖環(huán)向壓應(yīng)力均比毛洞時減少，襯砌效果顯著。

(3)由應(yīng)力云圖可以看出，洞室不同部位應(yīng)力集中程度不同，因此，采取合理的開挖方式十分必要。如先進(jìn)行洞室頂拱的開挖，有利于部分應(yīng)力釋放，再開挖拱下洞室結(jié)構(gòu)，同時，要抓住襯砌時機(jī)，邊開挖邊支護(hù)等。

(4)對拱腳和兩側(cè)邊墻中下部的應(yīng)力和變形較大部位，應(yīng)加強(qiáng)襯砌強(qiáng)度，如增加錨桿長度、加密錨桿間距等有效措施。

(5)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控測量，建立地下洞室施工的情報化系統(tǒng)，從而有利于指導(dǎo)設(shè)計和施工，并獲得最佳的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和施工經(jīng)驗。

4 結(jié)語

本文通過對大型引水隧洞Ⅱ類圍巖段TBM安裝間的施工及支護(hù)模擬，能夠總體分析圍巖穩(wěn)定特性，較好地指導(dǎo)設(shè)計和施工。但對于Ⅱ類圍巖，巖石條件比較完整，尋找導(dǎo)致開挖洞體局部失穩(wěn)的關(guān)鍵塊體有很大意義，作者將在后續(xù)設(shè)計工作中繼續(xù)深入研究，以關(guān)鍵塊體理論為支撐，探索大型地下洞室結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性及其破壞性機(jī)理之間的關(guān)系，更好地指導(dǎo)設(shè)計和施工，付諸工程實踐。