王常波

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程背景

遼寧某長距離輸水工程，朝陽市境內(nèi)C1#主洞控制樁號(hào)C3+318～C2+000洞段為穿越河谷地段。該洞段范圍內(nèi)丘前緩坡和丘間河谷內(nèi)表層為第四系更新統(tǒng)坡洪積層，下部基巖主要是太古到古生系變質(zhì)巖，分布于整個(gè)隧洞區(qū)域。洞段所在區(qū)域活動(dòng)斷裂主要是老斷裂帶新活動(dòng)，構(gòu)造活動(dòng)以北東向斷裂活動(dòng)為主，主要斷裂帶和工程距離較遠(yuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生十分明顯的影響。由于研究洞段位于低山丘陵區(qū)，地形起伏較小，同時(shí)隧洞的埋深較淺，因此巖體的穩(wěn)定性較差，個(gè)別洞段片麻巖發(fā)育，穩(wěn)定性較差，會(huì)對(duì)隧洞施工安全造成影響。結(jié)合工程實(shí)際情況，擬采用三臺(tái)階法研究洞段的開挖施工[1]。為了給施工設(shè)計(jì)提供必要的支持，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討不同臺(tái)階高度對(duì)隧洞整體安全性和穩(wěn)定性的影響，并確定出最佳施工方案。

2 FLAC3D有限元計(jì)算模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

此次研究選擇FLAC3D進(jìn)行背景工程研究洞段計(jì)算模型的構(gòu)建[2]。根據(jù)隧洞線路設(shè)計(jì)和前期地質(zhì)勘查資料，研究洞段的上覆層的最大深度為30 m，最小為5 m，開挖斷面為城門洞型設(shè)計(jì)，其寬度為4.2 m，高度為4.8 m。上覆巖土體的厚度最高取60 m，最低取5 m；模型下方的巖體厚度取25 m，水平寬度取20 m，隧洞軸線方向取100 m。對(duì)模型采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]。整個(gè)計(jì)算模型劃分為102 945個(gè)網(wǎng)格單元，116 854個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型示意圖如圖1所示。

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，考慮隧洞開挖和支護(hù)過程中導(dǎo)致地層變形和擾動(dòng)，但是不考慮二次襯砌支護(hù)對(duì)圍巖變形的影響，按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱施工工法進(jìn)行開挖模擬計(jì)算[4]?？紤]模型劃分和計(jì)算的便捷性，將隧洞開挖輪廓的邊墻墻角簡(jiǎn)化為直角輪廓[5]。計(jì)算中首先對(duì)隧道開挖部分進(jìn)行初期支護(hù)，然后再進(jìn)行下一步開挖和支護(hù)，循環(huán)計(jì)算直至開挖完成[6]。研究中選擇摩爾-庫倫準(zhǔn)則作為本構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算，采用位移邊界條件[7]。其中，模型的底部采用全位移約束條件，模型的兩側(cè)采用豎向位移邊界條件，模型的頂部為自由邊界條件[8]。

2.2 計(jì)算方案

研究中結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究洞段的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立如表1所示的5組不同的計(jì)算工況，利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同工況下的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)范圍進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同工況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 水平位移計(jì)算結(jié)果與分析

在位移計(jì)算結(jié)果中提取出水平位移的最大值和最小值，并以工況1為參照，計(jì)算獲取各工況的豎向位移控制效果，結(jié)果如表2所示。從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，研究洞段的水平位移和豎向位移類似，工況2、工況3和工況5相對(duì)于工況1在水平位移方面均沒有控制效果。工況4在水平位移的控制效果最好，與工況1相比無論是水平位移的最大值還是最小值都有大幅度減小，減小幅度分別為22.84%和26.17%。

表2 水平位移計(jì)算結(jié)果

綜上，五種不同方案在水平位移和豎向位移方面存在比較明顯的差異性，這說明在三臺(tái)階開挖法下，臺(tái)階高度會(huì)對(duì)襯砌的位移量產(chǎn)生比較顯著的影響。從具體的計(jì)算數(shù)據(jù)來看，工況4對(duì)水平位移和豎向位移的控制效果最佳，是位移控制層面的最佳設(shè)計(jì)方案。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

在計(jì)算結(jié)果中提取出最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值，并以工況1為參照，計(jì)算獲取各工況的應(yīng)力值控制效果，結(jié)果如表3所示。從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，工況1的最大主應(yīng)力控制效果最佳，但是工況4和工況1的控制效果比較接近，其余各工況的控制效果較差；從最小主應(yīng)力的控制效果來看，工況4的控制效果最佳，與工況1相比，最小主應(yīng)力值減小了約14.54%，其余各工況均沒有明顯的控制效果?？傮w來看，工況4為應(yīng)力控制層面的最佳方案。

表3 最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果與分析

在計(jì)算結(jié)果中提取出最小安全系數(shù)并與工況1進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，與工況1相比，工況2和工況4的最小安全系數(shù)提升了1.56%和14.40%，且這三種工況的最小值均滿足工程設(shè)計(jì)要求，工況3和工況5的最小安全系數(shù)與工況1相比分別下降5.06%和8.17%，且不滿足工程設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的5種工況相比，工況4的最小安全系數(shù)值較大，且具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，為最佳設(shè)計(jì)方案。

表4 最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究以具體工程為背景，探討了三臺(tái)階開挖法的臺(tái)階高度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)臺(tái)階高度對(duì)隧洞襯砌的安全穩(wěn)定性存在顯著影響，是施工設(shè)計(jì)中必須要考慮的重要因素。

(2)工況4對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的控制效果最佳，最小安全系數(shù)最大，為最佳設(shè)計(jì)方案。

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建議背景工程在工程設(shè)計(jì)中，采用上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階高度分別為1.6 m、1.2 m和2.0 m的設(shè)計(jì)方案。