水工隧洞圓形洞口開(kāi)挖形式的圍巖穩(wěn)定性分析研究

丁新潮，劉斌

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710065；2.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

長(zhǎng)期以來(lái)，工程上對(duì)大型隧洞施工的快捷、安全性提出了越來(lái)越高的要求。隧洞開(kāi)挖的施工方法受到設(shè)計(jì)者和施工者的密切關(guān)注，以前施工者根據(jù)巖體質(zhì)量、洞室斷面的大小、巖體的分層分塊等特點(diǎn)確定最合理的施工方法，目前數(shù)值模擬計(jì)算可準(zhǔn)確獲取隧洞位移及應(yīng)力變化，對(duì)具體施工過(guò)程中的開(kāi)挖方法的選擇有重要的指導(dǎo)意義[1-4]。本文以某水工隧洞圓形進(jìn)水口段為研究對(duì)象，根據(jù)工程的實(shí)際需要，擬對(duì)進(jìn)水口段圍巖與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行考慮圍巖開(kāi)挖過(guò)程的系統(tǒng)分析非線(xiàn)性三維有限分析研究，研究圓形進(jìn)水口段在全斷面開(kāi)挖和上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖步序施工過(guò)程中的圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及塑性區(qū)分析特征。為該圓形進(jìn)水口段推薦最適合的開(kāi)挖方法。

1 工程概況

某水電站工程樞紐主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪放空洞和右岸地下電站廠(chǎng)房組成，以發(fā)電為主。水庫(kù)總庫(kù)容16.22億m3，最大壩高211 m，裝機(jī)容量2200 MW，工程規(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程。擋水、泄水及引水發(fā)電等主要建筑物工程級(jí)別為1級(jí)，下游消能防護(hù)及永久性次要建筑物為3級(jí)。泄洪放空洞進(jìn)水口位于右岸二長(zhǎng)巖巖體內(nèi)，屬淺埋式洞式進(jìn)水口。溢洪道引渠形成3247.0 m開(kāi)挖大平臺(tái)后，進(jìn)水口頂拱最小垂直埋深約24.0 m，左側(cè)圍巖最小厚度約40.0 m，右側(cè)距電站進(jìn)水口引渠底板高程3223.2 m約30.0 m。

進(jìn)水口段（右洞0+000.00～右洞0+042.00 m）為中生代二長(zhǎng)巖，巖體為弱下風(fēng)化，隧洞天然埋深為65.0～78.0 m，工程開(kāi)挖后實(shí)際埋深為24.0～43.0 m。圍巖級(jí)別為Ⅲ1類(lèi)，基本滿(mǎn)足隧洞成洞要求。但二長(zhǎng)巖中斷層及裂隙較發(fā)育，局部存在不穩(wěn)定的塊體組合。泄洪隧洞進(jìn)口處岸坡主要由3種巖性組成，下部為三疊系變質(zhì)砂巖及中生代二長(zhǎng)巖岸坡，頂部為第三系礫巖岸坡，礫巖不整合于下伏二長(zhǎng)巖之上。進(jìn)口洞臉邊坡上部第三系礫巖位于強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)，總體看該處屬Ⅳ級(jí)巖體巖，邊坡整體穩(wěn)定；下部位于強(qiáng)～弱風(fēng)化二長(zhǎng)巖內(nèi)，巖體級(jí)別為Ⅳ～Ⅲ2級(jí)，邊坡整體穩(wěn)定。

2 計(jì)算模型的建立

使用有限元軟件abaqus，建立三維非線(xiàn)性有限元分析模型。三維有限元網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)總體規(guī)定為：鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)0.2～0.3 m；錨桿加固區(qū)域巖體1.0～2.0 m；外圍巖體2.0～6.0 m。

2.1 計(jì)算范圍

1）沿水流方向，分析范圍取為進(jìn)水口段開(kāi)挖洞徑約4.0倍。進(jìn)水口段最上游邊界向上游取45.0 m，進(jìn)水口段最下游邊界向下游取65.0 m。

2）豎直方向（高程），底部分析區(qū)域邊界，取泄洪放空洞底板最低處以下50 m，約為4.5倍泄洪放空洞進(jìn)水口段開(kāi)挖洞徑，向上取為地表。

3）垂直于水流的水平方向上。對(duì)于左邊界，上部取至原始地面邊界自由面，下部取為4.0倍洞徑，約為60.0 m。對(duì)于右邊界，取為4.0倍洞徑，約為60.0 m，引水渠開(kāi)挖后形成臨空面。

2.2 有限元模型

該進(jìn)口整體為圓形過(guò)水?dāng)嗝婧蛨A形開(kāi)挖斷面。過(guò)水?dāng)嗝鏋橹睆?0 m的圓形，按照雙曲線(xiàn)縮小后到樁號(hào)，過(guò)水?dāng)嗝鏋橹睆?2 m的圓形斷面。整體分析模型用于模型圍巖體，如圖1及圖2所示。

圖1 圓形進(jìn)水口方案襯砌結(jié)構(gòu)體型圖Fig.1 The lining structure of the circular water inlet

圖2 圍巖區(qū)域有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of the surrounding rock area

2.3 圍巖參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件以及參照類(lèi)似的工程圍巖力學(xué)參數(shù)選取，如表1和表2所示。

表1 圍巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock

表2 圍巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.2 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock

3 圍巖穩(wěn)定性分析

分析在相同支護(hù)條件下，圓形進(jìn)水口型式全斷面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖步序方案下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)，為方便說(shuō)明問(wèn)題，在此僅選出圍巖豎向位移、第一主應(yīng)力以及塑性區(qū)等部分代表性結(jié)果進(jìn)行分析，分析兩種不同開(kāi)挖步序下該段隧洞圍巖穩(wěn)定性狀。

3.1 圍巖位移對(duì)比分析

同一支護(hù)條件下圓形方案全斷面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖豎直方向整體位移云圖，如圖3所示。

根據(jù)此靜力分析結(jié)果，在相同的支護(hù)條件下，全斷面開(kāi)挖后在豎直方向上最大變形為8.05 mm，出現(xiàn)進(jìn)水口段頂部；若采用上下半洞開(kāi)挖，相應(yīng)的最大變形為8.66 mm，兩種開(kāi)挖步序方案圍巖穩(wěn)定性均可得到保證。上下半洞開(kāi)挖方案的拱頂位移較全面增加比例為7.58%。

3.2 圍巖應(yīng)力對(duì)比分析

圖4給出了同一支護(hù)條件下圓形方案全面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖第一主應(yīng)力云圖。

圖3 全面開(kāi)挖與上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖豎直方向整體位移云圖Fig.3 The vertical displacements of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method

圖4 全面開(kāi)挖與上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖第一主應(yīng)力云圖Fig.4 The max principal stress of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method

在相同的支護(hù)條件下，全斷面開(kāi)挖后第一主應(yīng)力最大值為0.54 MPa（拉），若采用上下半洞開(kāi)挖，第一主應(yīng)力最大值為0.59 MPa（拉），從最大拉應(yīng)力方面，兩種開(kāi)挖步序方案下圍巖均穩(wěn)定。兩方案相互比較，上下半洞開(kāi)挖方案圍巖最大拉應(yīng)力較全面增加比例為9.26%。

3.3 圍巖塑性區(qū)分布對(duì)比分析

相同的錨噴支護(hù)參數(shù)條件下圓形方案全面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后泄洪放空洞圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖5 全面開(kāi)挖與上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plastic strain area of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method

從圖5可見(jiàn)，采用全面開(kāi)挖步序方案進(jìn)行施工，洞周?chē)鷰r的塑性區(qū)大深度有4.0～4.5 m，對(duì)于上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后泄洪放空洞圍巖塑性區(qū)最大深度4.5～5.0 m。兩開(kāi)挖步序方案比較，上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)較全斷面略大。兩種方案下，塑性區(qū)最大深度均不大于系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

采用abaqus有限元分析對(duì)水工隧洞圓形進(jìn)水口全斷面開(kāi)挖、上下半洞臺(tái)階開(kāi)挖步序方案下圍巖穩(wěn)定性分析表明，兩種開(kāi)挖步序下，圍巖均處于穩(wěn)定狀態(tài)，兩方案對(duì)比，總體上全斷面方案的洞頂位移、圍巖最大拉應(yīng)力以及塑性區(qū)深度均較上下半洞開(kāi)挖稍小，在此靜力分析方法下，全斷面開(kāi)挖略?xún)?yōu)于上下半洞開(kāi)挖。

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