輸水隧道圍巖穩(wěn)定性有限元分析

崔洋 徐姍姍

【文章摘要】

我國是水源極其匱乏的國家之一，并且地區(qū)分布又極不均勻，輸水隧道用于地區(qū)之間調(diào)水隨處可見。輸水隧道一般用于穿越山體和重要的設施，這些地段地質條件復雜，它的穩(wěn)定性對一方經(jīng)濟的發(fā)展和人民的生活至關重要。

本文利用大型通用有限元程序ANSYS分析圍壓作用下圍巖的應力應變狀況，分析由于高地應力作用下隧洞圍巖的變形關系，為工程設計提供幫助，并為后期輸水隧道設計和開挖提供相關的技術參考。

【關鍵詞】

輸水隧道;圍巖;有限元

1 隧洞的結構介紹

水工隧洞可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導流和通航。水流在洞內(nèi)具有自由水面的，稱為無壓隧洞;充滿整個斷面，使洞壁承受一定水壓力的，稱為有壓隧洞。水工隧洞主要由進水口、洞身和出口段組成。為防止巖石坍塌和滲水等，洞身段常用錨噴（采用錨桿和噴射混凝土）或鋼筋混凝土做成臨時支護或永久性襯砌。洞身斷面可為圓形、城門洞形或馬蹄形，有壓隧洞多用圓形。

2 有限元方法概述

有限單元法以剖分離散和分塊插值為指導思想。其基本方法是將連續(xù)的求解區(qū)域離散化為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元組合體，利用每一個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片地表達整個求解域上待求的未知場函數(shù)。其應用范圍已由桿件結構問題擴展到彈性力學以及塑性力學問題;由平面問題擴展到空間問題;由靜力學問題擴展到動力學問題、穩(wěn)定問題;由固體力學問題擴展到流體力學、熱力學、電磁學等問題。已成為廣大科技工作者的有力武器。

3 基于ANSYS的隧道圍巖穩(wěn)定性分析

3.1初始地應力的模擬

在ANSYS中，有以下兩種方法可能來模擬初始地應力：

方法一，只考慮巖體的自重應力，忽略其構造應力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應力場。這種方法簡單方便，只需給出巖體的各項參數(shù)即可計算。不足之處在于計算出來的應力場和實際應力場有偏差，而且?guī)r體在自重應力作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析后續(xù)施工工序時，得到的位移結果是累加了初始位移的結果，而現(xiàn)實中初始位移早就結束，對隧道（洞）的開挖不產(chǎn)生影響，因此在以后的每個施工階段分析位移場時，需減去初始位移場。

方法二，使用讀取初始應力文件的方法。在進行結構分析時，ANSYS中可以使用讀入初始應力文件來把初應力指定為一種載荷，因此當具有實測的初始地應力資料時，可將初始地應力寫成初應力載荷文件，然后讀入ANSYS作為載荷條件，就可以直接進行第一步的開挖計算。所得的應力場和位移場就是開挖后的實際應力場和位移場，無須進行加減。

本文采用第一種方法。

3.2 Drucker-Prager（DP）材料模型。

巖石、土壤和砼等材料都屬于顆粒狀材料，能準確描述這類材料的強度準則為Drucker-Prager屈服準則，使用Drucker-Prager屈服準則的材料簡稱訓DP材料。在巖石、土壤等的有限元分析中，采用DP材料可以得到較為精確的結果。

3.3 隧道設計模型

隨著NATM法的出現(xiàn)，以測試為主的實用設計方法得到了發(fā)展，其中收斂-約束法采用最多，其主要思想是：邊施工，邊進行洞周邊位移測量，隨著位移的變化情況，選擇合理的支護參數(shù)，這樣的好處是可以根據(jù)實際情況來設計隧道結構。收斂-約束法將支護結構和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結構體系，即圍巖-結構模型，通過調(diào)整支護來控制變形，從而最大限度地發(fā)揮圍巖本身的自承載力。對于幾何圍巖初始應力狀態(tài)、地質條件都比較復雜的地下工程，一般需要采用數(shù)值計算方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特征和施工過程對坑道穩(wěn)定性影響時。

3.4 隧道載荷

根據(jù)《地下鐵道設計規(guī)范》（GB50157-92），隧道設計中主要考慮的載荷包括：永久載荷、可變載荷（基本可變載荷和其他可變載荷）以及偶然載荷。

4 工程實例

4.1 工程介紹

某河底引水隧道工程，立面為3孔圓形隧道，孔徑為9.5m，襯砌厚為1m;相鄰洞中心距為31m。埋置深度為河床下約71m。為研究方便，對以上實例工程我們做如下簡化：

隧洞覆蓋層厚度為50m，寬度為235m。覆蓋層土體的彈性模量取E=1500Mpa，泊松比取 =0.25，密度取為2500kg/ 。

其余土體，密度也為2500kg/ 。覆蓋層以上土體，以均布荷載的形式作用于覆蓋層上表面。且所有土體均不考慮水滲透作用。

隧洞為引水隧洞，在使用過程中有靜水壓力，但在隧洞施工期間為無內(nèi)壓隧洞，分析施工期圍巖穩(wěn)定性可以不考慮。河床上的河水，以均布水壓力的形式作用于覆蓋層上表面。簡化后的簡圖見圖4.1。

4.2 工程實例的ANSYS計算

（1）建立隧道有限元模型

（2）計算初始地應力場和位移場（工況一）

（3）進行施工開挖

（4）進行開挖后內(nèi)力和位移計算（工況二）

（5）后處理。根據(jù)模型的簡化方法，本項目只考慮巖體的自重應力，忽略其構造應力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應力場。因此在以后的每個施工階段分析位移場時，需減去初始位移場。即需用工況二的結果減去工況一的結果。

（6）改變襯砌厚度，重新計算隧道孔洞的應力和位移。重復步驟1-5，每次改變襯砌厚度（200，500，750，1000，1200，等），即可得到在不同襯砌厚度下隧道孔洞的應力和位移。

4.3 計算結果分析

將計算得到的不同襯砌厚的隧洞圍巖的應力和位移進行對比，得到相應的曲線。

5 總結

通過改變襯砌厚度，計算不同襯砌厚度時的圍巖應力和位移，發(fā)現(xiàn)并不是越增加襯砌厚度就越有利于圍巖的穩(wěn)定性，對不同的隧洞，應該采用不同的襯砌厚度，這個厚度，要使圍巖的應力最小或接近最小，同時滿足位移變化的要求。而對本次研究所選的實例工程而言，最合理的襯砌厚度為1000mm。當采用的襯砌厚度為1000mm時，圍巖上各點的應力可以達到較小值，特別是圍巖的頂點和底部點處的應力，同時達到最小值;而且，圍巖的位移也達到合理、經(jīng)濟的狀態(tài)。

【參考文獻】

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[2]杜平安等編著. 有限元法：原理、建模及應用.北京：國防工業(yè)出版社，2004

[3]王煥定， 王偉編著. 有限單元法教程. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003

【作者簡介】

崔洋、男、1981年、山東日照、講師。