赵玉龙

（甘肃省酒泉市瓜州县榆林河灌区水利服务所，甘肃 酒泉 736115）

1 引言

国家“十二五规划”中，仅引汉济渭工程秦岭输水隧洞部分长度达到98.30 km。国家已建成的各类输水隧洞长度已经超过10 000 km。投入的人力、物力相当之大，一旦发生事故，后果十分严重。随着模拟仿真软件以及计算机技术的成熟发展，目前研究学者多采用数值模拟方法对隧洞开挖支护过程中结构受力及变形情况进行研究分析。马国文采用FLAC 3D软件对新疆某输水隧洞工程支护结构最优参数进行分析，结合实际工程以及数值模拟，得出喷射混凝土层、锚杆支护长度和间距等支护最优参数。张虎元等运用FLAC 3D仿真计算软件模拟隧洞开挖在无支护、喷锚支护条件下，围岩的应力变化和围岩塑性变形的情况。结果表明，喷锚支护可以提高围岩自承能力；无支护条件下，围岩产生较大的变形，且隧洞拱顶变形量最大。张雷以某水库输水隧洞为例，通过FLAC 3D 构建模型分析不同锚索长度对输水隧洞支护的影响，得出最优锚索支护方案。即在隧洞两侧设置5 m 长锚索，拱顶部分采用长8 m 锚索。张大年利用ABAQUS有限元软件，从结构应力与位移两方面分析输水隧洞超前小导管注浆支护效果，表明小导管在加固过程中具有积极的作用。赵大洲等采用FLAC 3D模拟某引水工程输水隧洞的开挖过程。分析Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，隧洞初期支护围岩变形情况以及围岩与衬砌作用关系，为该段输水隧洞支护设计提供理论依据。庄海龙利用有限元软件模拟隧洞开挖过程，以摩尔-库伦准则计算开挖后围岩的应力，对围岩进行稳定性分析。同时利用Midas-GTS 软件模拟开挖初期支护对Ⅳ、Ⅴ级围岩支护效果，结果表明，隧洞开挖后隧洞稳定性降低，通过合理的初期支护可以减小隧洞拱顶围岩位移，提高围岩稳定性。

以往研究对支护参数的优化方面较少，且较单一的研究支护参数对结构安全性方面的影响。文中结合安全性和经济性两方面，采用正交试验法确定优化指标，为实际工程提出既安全同时又经济的最优支护参数。

2 试验设计

2.1 数值模拟及参数设计

以某引水工程项目典型输水隧洞断面为研究对象，利用有限元分析软件对隧洞进行仿真模拟。该输水隧洞横断面形式呈“拱门型”，隧洞尺寸及支护方法如图1所示。该隧洞位于砂岩层，隧洞埋深60 m，围岩类别为Ⅴ级。

图1 隧洞断面尺寸及支护方式图（标注单位：cm）

为了在保证计算精度的前提下兼顾计算效率，对隧洞周围进行网格局部加密进行整体的网格划分，共划分出165 520个10 节点应力单元。图2 为输水隧洞的有限元网格模型和应力节点模型。模型参数的输入主要参考该地的地质勘查报告。模型具体参数取值见表1。

图2 网格划分示意图

表1 材料参数表

2.2 试验方案

该输水隧洞原设计方案为开挖进尺1.50 m、钢拱架间距0.60 m、初衬厚度12 cm。为进一步优化输水隧洞施工建设中的支护参数，得出最经济安全的施工方案，文章基于正交试验法，将开挖进尺、钢拱架间距、初衬厚度三个因素分别增加两个水平，确定正交试验为3 因素3 水平，见表2。试验方案如表3所示，共9种试验工况。

表2 水平表

表3 试验工况

对上述9个试验工况进行数值模拟，计算不同工况下对隧洞顶部下沉位移及初衬拱顶应力的影响。采用极差法分析顶部位移及初衬拱顶应力的因素。

3 试验分析

3.1 输水隧洞安全性影响因素分析

以初衬拱顶应力为例，模拟不同工况对隧洞洞室初衬拱顶应力的影响、不同影响因素下隧洞洞室初衬拱顶应力参数，采用极差法分析得，隧洞洞室初衬拱顶应力的影响因素主次顺序为：钢拱架间距、初衬厚度、开挖进尺。主要原因是，隧洞开挖后，洞室周围的围岩产生的压力主要由钢拱架承受。初衬拱顶应力随着初衬厚度的增加而增加，初衬拱顶应力随着钢拱架间距的增大而增加。观察不同开挖进尺下初衬拱顶应力值变化，可以发现，开挖进尺对隧洞洞室初衬应力影响规律不明显。

同理，通过极差法分析隧洞拱顶下层位移影响因素的主次顺序。由试验结果可知，开挖进尺对隧洞拱顶下层位移影响最大，钢拱架间距对隧洞拱顶下层位移影响次之，初衬厚度对其影响最小。原因在于随着开挖尺寸的增大，会造成地层的突然松弛，对拱顶造成较大扰动，从而出现较大且持续的变形，影响着开挖面的稳定性。

3.2 输水隧洞经济性影响因素分析

在输水隧洞建设中，对于支护方式的选择，除了要确保结构的安全、稳定外，还需充分考虑施工经济性，最大程度地节约成本。结合上述9个试验工况，对每延米所需施工成本进行计算，分析影响输水隧洞施工成本的因素主次顺序。经过现场调研，统计出各施工材料单价，分别计算出9种试验工况下每延米总成本，见表4。

由表4 可知，9 种施工工况下，每延米施工成本均不相同。钢拱架成本及开挖成本占隧洞开挖总成本最大。例如工况2中，开挖成本占据隧洞开挖总成本的58%，工况3中，钢拱架成本占总成本49.60%。故在确定隧洞开挖支护最优参数时，主要选择钢拱架、开挖成本占总成本比例小的施工方法案。

以不同工况下开挖成本为例，利用极差法研究分析初衬厚度、钢拱架间距、开挖进尺因素对开挖成本占比的影响主次顺序，计算结果表明开挖进尺对隧洞开挖成本占比影响最大，初衬厚度次之，钢拱架间距对其影响最小。同理，利用方差法分析初衬厚度、钢拱架间距、开挖进尺因素对钢拱架成本占比的影响主次顺序。最后得出与对开挖成本占比影响因素主次顺序相一致的结论，即开挖进尺、初衬厚度、钢拱架间距。

基于初衬厚度、钢拱架间距、开挖进尺因素对输水隧洞支护安全性、经济性两方面综合性影响，提出输水隧洞支护最优方案。工况9为最优支护方案，即最优支护参数初衬厚度为16 cm、钢拱架间距为1.00 m、开挖进尺为1.50 m。该工况下，输水隧洞洞室拱顶下沉位移、初衬拱顶应力较小，且施工成本低。

4 结论

基于输水隧洞安全性和经济性影响因素分析，得出以下结论：①初衬拱顶应力因素影响程度为钢拱架间距、初衬厚度、开挖进尺；拱顶下层位移因素影响程度为开挖进尺、钢拱架间距、初衬厚度；输水隧洞开挖成本影响程度为开挖进尺、初衬厚度、钢拱架间距。②优化后输水隧洞施工支护参数为：初衬厚度16 cm、钢拱架间距0.60 m、开挖进尺1.50 m。最优方案中输水隧洞洞室拱顶下沉位移、初衬拱顶应力较小，且施工成本低。