变径洞室超前支护开挖模拟与分析

变径洞室超前支护开挖模拟与分析

郑明路

中国水电建设集团十五工程局有限公司

摘要：变径洞室开挖是地下工程施工中的重要研究项目，在围岩软弱的情况下，由小截面到大截面的开挖过程，会在施工时造成很多安全问题的产生。而在变径洞室开挖稳定性研究中，对有限差分数值分析方法的应用，可以对拱部小导管非超前注浆支护与超前支护两种方法所带来的影响进行分析。这对提高围岩稳定性，降低洞室变形及避免洞室开挖时出现塌方问题具有重要的意义。本文就此进行分析与探讨。

关键词：变径洞室；超前支护；围岩支护；稳定性

一、工程概况

某一地下工程存在于软弱破碎围岩中，此洞室变径较大，其中大的洞室净尺寸为9.2m×8.5m，小的洞室净尺寸为3.4m×2.1m，这一情况对洞室的开挖带来较大的难度。另外由于围岩软弱的问题，造成从小洞到大洞进行开挖时，会增加很大的施工难度，容易造成塌方问题的产生。本文在分析与研究中，主要对小洞室（毛洞4.5×5.3m）到大洞室（毛洞6.7m×7.2m）的变形模型及特征进行研究。

二、变径洞室超前支护开挖模型的构建

1、洞室开挖的过程

在开挖时，先对小洞室（毛洞4.5×5.3m）进行开挖，然后再扩挖到大洞室（毛洞6.7m×7.2m）中。在开挖时，对小洞室进行断面一次性开挖，而对大洞室运用台阶开挖，先对拱部岩体进行开挖，然后再对下部岩体进行开挖。在开挖时，拱部使用小导管超前注浆支护的支护方案，做到对拱部岩体的有效固定，在一个阶段开挖完成之后，可以使用采取格栅+钢筋网+喷射混凝土的方法来进行初次支护。

2、几何模型的构建

洞室是关于过中心呈竖直平面对称的，因此只需要对其一半过程进行模拟即可。设定洞室的总长度为50m，而围岩的计算范围为：洞室地板上40m，洞室地板下30m，洞轴线右侧围30m，从而形成一个30m×50m×70m的几何模型。在计算过程中，可以分别为15375个小单元及16900个小的节点。洞室具体的几何模型与网格划分情况如图1所示：

图1洞室几何模型及网格划分图

3、边界的条件的设定

依据地下工程的实际实施情况及对称性的特征，在这一计算模型中，对于边界条件，需要采用模型周边侧向约束，不能有水平方向位移情况的出现，对底面约束铅直方向的变形条件，需要对可动滚轴支座加以应用，其上表面为自由边界。对原岩应力场应使用自重力场，并在其上面加入1MPa的一面力，将最大自重应力场控制在2.47MPa内，从而与实际探测的原岩应力场的大小保持相同。

4、对力学模型的设定

岩体采用弹塑性理论计算，强度准则采用Mohr-Coulomb准则，大变形计算模式。实际超前支护是采用的超前小导管注浆加固围岩，在洞室拱部开挖面以上形成了一个加固拱圈，使这部分岩体的强度得到提高。模拟计算中，采用超前壳结构单元（shell）进行模拟。开挖采用空单元（null）进行模拟。实际初次支护采取格栅+钢筋网+喷射混凝土，这种支护形式与围岩密贴，与围岩之间一般不产生滑移，因此初次支护采用壳结构单元（shell）进行模拟。

5、对物理力学参数的确定

在对岩体物理力学参数进行确定时，需要根据本工程中自然进洞法对口部岩体参数的确定方法依据，并结合V级围岩的工程地质条件来进行确定，从而得到岩体物理力学参数及超前支护和初次喷射混凝土支护的相关参数为表1：物理力学参数表所示：

表1物理力学参数表

三、模型的分析结果与计算结果

1、超前支护带来的作用分析

为比较超前支护对洞室开挖塑性区及拱顶最大沉降位移的影响及作用效果，采用数值模拟计算了两种方案：方案A（加超前支护）：拱部采用小导管超前注浆支护，稳定拱部岩体；一段开挖完成后，及时采取格栅+钢筋网+喷射混凝土初次支护；小洞室采用全断面一次开挖；大洞室采用台阶开挖，先开挖拱部岩体，再开挖下部岩体；每次开挖4m。方案B（无超前支护）：一段开挖完成后，及时采取格栅+钢筋网+喷射混凝土初次支护；小洞室采用全断面一次开挖；大洞室采用台阶开挖，先开挖拱部岩体，再开挖下部岩体；每次开挖4m。开挖进程：先开挖小洞室16m，再扩挖到大洞室20m，然后再开挖一段小洞室4m。对两种方案分别采用模拟计算。

根据计算及应用结果可以得出：第一，应用超前支护方案A进行开挖时，其拱顶塑性区得到有效降低，不部分小洞都是出于弹性状态。仅仅是在对大洞进行第一次扩挖时，由于无法对其进行超前支护，因此会有少量的塑性区产生，这时塑性区的厚度最大为1.456m。由于可见这种施工方法安全性高，稳定性好。第二，对于不加超前支护的方案B来说，在开挖时，拱顶部分出现明显的塑性区，这时小洞顶板塑性区最大厚度达到3.476mm，大洞顶板的塑性区达到3.546mm，这一塑性区厚度对整个施工过程造成严重的影响。第三，通过分析结果发现，对拱部采取小导管超前注浆支护的方式，对底板围岩塑性区的控制效果不明显，A、B两种方案产生的结果相同，因此在施工过程中，除了需要最顶板稳定性加以注重之外，还需要重视底板稳定性的变化。当围岩情况较差时，需要对其采取仰拱措施。通过上述三点分析结果可以得出，在对洞室进行开挖时，对其拱部采取小导管超前注浆支护的效果比没有进行超前支护的效果要明显，能够做到对拱部塑性区数量的有效降低，做到对拱顶最大沉降位移的有效控制，对软弱围岩下的洞室开挖与施工安全具有十分重要的意义。

2、对大洞进行扩挖造成的稳定性分析

在对16m的小洞室进行开挖完成之后，便可对大洞室进行开挖，开挖时，每次开挖进度为4m，共计5次，开挖的总长度为20m。对开挖结果进行计算与分析发现，在对大洞室的第一个4m段进行开挖时，由于没有对其进行超前支护，因此存在顶板塑性区增多及严沉降的问题产生，在此过程中，做大的塑性区厚度一度高达2.412m，沉降情况达到12.68mm，这对整个开挖的稳定性造成严重的影响，因此在施工时需要做到足够的重视。另在大洞室的开挖时，在侧墙、底板等位置上也出现塑性区厚度增加到4m的严重问题出现。因此开挖时进行第一次支护十分关键。要是在开挖时出现岩体破碎的情况，可以通过对前部围岩进行注浆处理来进行加固，另外在对大洞室进行开挖时，及侧墙与拱顶的位移变化较为明显，拱顶沉降由最初的12.68mm发展到15.93mm，侧向位移也从原有的25.42mm发展到44.23mm。这一问题表明了在后续开挖时，对已经完成开挖的洞室为一般产生较大的影响，需要在施工的过程中加强监测，并做到对支护参数的及时调整。

总结：

变径洞室开挖时，通过对拱部小导管超前注浆支护方法的应用，能够做到对拱部塑性区数量的有效降低，并做到对拱顶沉降位移的有效控制，这对软弱围岩环境中的洞室开挖及安全施工都具有重要的意义。另外在大截面洞室开挖时，由于第一段开挖时，没有进行超前支护，从而造成顶板严重沉降，因此在未来施工中，应该采取小进尺、弱爆破的模式，并通过及时采用喷锚支护的方法，对变径洞室开挖产生不利影响的有效控制。

参考文献：

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