超前小导管施工设计参数对围岩沉降的影响分析.pdf
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1、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、+.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 constru
3、ction 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 a
4、nd 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 constru
5、ction 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
6、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(Ne
7、w 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
8、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
9、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,
10、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
11、 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
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