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输水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆支护参数优化研究_李超.pdf
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1、第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ,年月 ,李超输水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆支护参数优化研究水利科学与寒区工程,():输水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆支护参数优化研究李超(庄河市水利建筑工程有限公司,辽宁 庄河 )摘要:文章以观音阁水库输水工程输水隧洞穿越岩溶区洞段为工程背景,采用数值模拟的方法探讨了引水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆的长度、间距和预应力等个主要支护参数对围岩位移的影响,获得相应的变化规律。综合研究成果,认为应该选择长 、间距 、预应力为 的锚杆进行初期支护。关键词:输水隧洞;隐伏溶洞;锚杆参数中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:作者简介:李超(),女,辽宁开原人,工程师,主要
2、从事水利工程建设管理工作。:。工程背景观音阁水库输水工程是辽宁省“十一五”和本溪市“十二五”规划建设的重要水利基础设施项目,同时也是国家 项重大水利工程建设项目之一。工程的主要目标是将观音阁水库的水经过输水隧洞及管线自流输入到本溪市内,建成后将极大地提升本溪市的供水保障率和供水质量。观 音 阁 水 库 输 水 工 程 隧 洞 二 标 段 全 长 ,其 中 主 洞 长 ,支 洞 长 。该标段的部分施工区域地质条件复杂,岩溶和裂隙发育,对隧洞的设计和施工提出了较高的要求。特别是桩号 洞段穿越本溪东北部的岩溶区,施工前的地质勘查结果显示,输水隧洞施工区存在多个隐伏溶洞。显然,隐伏溶洞的存在会对隧洞周
3、边围岩的变形、安全系数、土层塑性区、主应力的分布产生较大的影响。如果隧洞周边围岩中存在近距离的隐伏溶洞,在施工中必须要对支护结构的相关参数进行调整,以保证隧洞的施工和运行安全。离散单元模型 有限元模型的构建基于此次研究对象的特点,拟采用 离散单元法进行数值计算模型的构建。探讨引水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆支护参数的优化问题,并给出具体的施工设计建议。根据相关研究,当隐伏溶洞位于地下洞室工程的上方时,隧洞围岩的最大主应力、位移以及塑性变形区均较大,对隧洞开挖支护施工的影响最为显著。因此,研究中选择 断面作为典型断面,进行隧洞的 离散单元模型的构建。根据地质调查资料和工程的原始设计,该洞段为马蹄型开挖断
4、面设计,开挖的宽度和高度分别为 和 。在隧洞的上方存在一个隐伏溶洞,其半径 左右,厚度约为 。根据一般经验,地下洞室工程在开挖过程中会对倍 洞径范围内的围岩产生比较显著的影响,但是在倍洞径部位,其影响已经极为有限。基于此,选择模型的几何尺寸为 。以隧洞中线指向下游的方向为 轴正方向,以垂直于 轴指向右侧的方向为 轴的正方向,以竖直向上的方向为轴的正方向。对构建的几何模型利用 网格建模,最终获得 个网格单元,个计算节点,模型的网格剖分示意图如图。参数与边界条件边界条件的确定、初始应力场的施加以及参数的选取都十分重要,会对计算结果的准确性产生直接影响。此次研究中模型的约束条件如下:图有限元模型图示
5、在模型的底部施加全位移约束,在模型的两侧施加水平位移约束,模型的上部为自由边界条件。模型的整体受到围岩自重的影响,在水平方向上受到 ,竖直方向上受到 应力的作用。围岩本身采用理想的弹塑性材料,屈服准则为摩尔库伦准则。根据施工资料,隧洞的初期支 护 为 药 卷 锚 杆,长 度 、直 径 为 ,环向和纵向间距均为 ,初喷采用 混凝土,喷射厚度为 。结合相关资料,研究中采取的模型材料物理力学参数如表所示。表模型材料物理力学参数模型材料弹性模量 重度 黏聚力 内摩擦角()泊松比围岩岩体 混凝土 锚杆 计算方案利用构建的离散单元模型,展开对隧洞初期支护阶段锚杆支护参数的优化研究,针对锚杆的长度、间距和预
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