開挖及襯砌對泄洪洞圍巖穩(wěn)定性影響

牛巖 魏雨露

摘 要：為研究某水電站泄洪洞開挖、襯砌等施工過程對洞周圍巖穩(wěn)定性的影響，本文通過對泄洪洞樁號0+120至0+320的一段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，利用有限元軟件ANSYS建立模型并剖分網(wǎng)格，利用有限差分軟件FLAC3D對其進(jìn)行開挖、施加襯砌計(jì)算，通過洞周位移、應(yīng)力來分析由于開挖造成的地應(yīng)力釋放以及施加襯砌對洞周圍巖穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：泄洪洞;FLAC3D;開挖;襯砌

中圖分類號：S27 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830010

引言

在埋深較大且圍巖強(qiáng)度較低的情況下，隧洞在開挖后需施加一定的支護(hù)措施以保證圍巖穩(wěn)定，襯砌就是為了加強(qiáng)隧洞的穩(wěn)定性，使用鋼筋混凝土等材料，在隧洞的坑道周緣修筑的一個(gè)保護(hù)層[1，2]。

襯砌的修筑可以增強(qiáng)隧洞與周圍巖體的穩(wěn)定性，也可以防止與隧洞外圍巖體相接觸，使其形成一個(gè)隔離層，隔絕水和空氣，防止被水或空氣沖刷、風(fēng)化;形成光滑的濕周，使糙率減小，改善周圍水流，使單位橫斷面流量增大，減小了隧洞的單位造價(jià);形成隔水層，減少隧洞和周圍圍巖的相互滲流;承載圍巖外部荷載，內(nèi)部荷載等。通過數(shù)值模擬方式來研究隧洞施加襯砌對圍巖穩(wěn)定性的影響是目前地下工程的熱點(diǎn)之一。

1 工程概況

某水電站是以發(fā)電為任務(wù)的單目標(biāo)工程，是波得藏布流域梯級開發(fā)的第三級電站，壩址控制流域面積2453km2，年平均流量132m3/s。泄洪建筑物主要有洞室溢洪道和泄洪洞（兼導(dǎo)流洞）。泄洪洞總長536.66m，為圓形隧洞，洞徑10m，導(dǎo)流期采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，襯砌厚度0.8m，存在斷層和破碎帶。樁號0+120至0+320段下部巖體為Ⅲ類巖石，上部為Ⅳ類巖石，斷層和破碎帶為Ⅴ類巖石[3-7]。

2 三維數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)的選取

隧洞斷面型式為圓形，洞徑10m，埋深400m，在垂直洞軸線方向模型范圍大于5倍洞徑。Y軸平行于隧洞軸線，X軸豎直向上，采用ANSYS軟件建模，網(wǎng)格劃分采用實(shí)體單元SOLID45，共剖分116906個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)123283個(gè)。

模型底部約束三向位移，四周約束水平位移，頂部模型建立到地表以模擬上部巖體自重作用，圍巖以Ⅲ、Ⅳ類巖體為主，斷層及破碎帶為Ⅴ類巖石，襯砌采用C40混凝土。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類巖石和混凝土的材料力學(xué)參數(shù)見表1。

FLAC3D軟件計(jì)算中體積模量和剪切模量參數(shù)的計(jì)算公式為[8-9]：

體積模量K=E/[3（1-2μ）]

剪切模量G=E/[2（1+μ）]

3 結(jié)果分析

3.1 初始地應(yīng)力場

在地下工程領(lǐng)域中，初始地應(yīng)力場的存在和影響不容忽略，它既是影響巖體力學(xué)性質(zhì)的重要控制因素，也是巖體所處環(huán)境條件下發(fā)生改變時(shí)引起變形和破壞的重要力源之一。因此，要想較真實(shí)地進(jìn)行工程模擬仿真，就必須保證初始地應(yīng)力場的可靠性。初始地應(yīng)力場生成的主要目的是為了模擬所關(guān)注分析階段之前圍巖、土體已存在的應(yīng)力狀態(tài)。圖1為初始地應(yīng)力場云圖，顯示指標(biāo)為豎直方向上的位移。

3.2 開挖和襯砌

生成初始地應(yīng)力場后，即可進(jìn)行開挖、施加襯砌的模擬計(jì)算。綜合考慮斷層位置，對于開挖后和施加襯砌后的位移和應(yīng)力的分析主要考慮以下2個(gè)切面：面1，過點(diǎn)（0，40.62，0）垂直于y軸，即垂直洞軸線靠近斷層的一個(gè)面。面2，過點(diǎn)（0，0，55）垂直于z軸，即平行于洞軸線的豎直平面。

3.2.1 位移和應(yīng)力

圖2～9為所選2個(gè)面在開挖后和施加襯砌后的豎直位移和最大主應(yīng)力云圖。表2為對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。

從表2中可以看出面1洞頂處最大位移-2.34×10-3m，洞底2.38×10-3m，襯砌后最大位移-6.8×10-5m，有明顯改善。最大主應(yīng)力開挖后為-1.21Mpa，襯砌后為-1.04Mpa，應(yīng)力也有所改善。面2洞頂處最大位移-3.01×10-3m，洞底2.93×10-3m，襯砌后最大位移-7.27×10-5m，有明顯改善。最大主應(yīng)力開挖后為-1.33Mpa，襯砌后為-1.24Mpa，應(yīng)力也有所改善。

從以上分析可以看出，隧洞開挖后，由于開挖面的瞬間卸荷，使洞周圍巖產(chǎn)生較大的位移和應(yīng)力，對洞周圍巖穩(wěn)定性有不利的影響，施加襯砌后，可有效防止這一現(xiàn)象，對保證洞周圍巖穩(wěn)定性有很大促進(jìn)作用。

3.2.2 塑性區(qū)

塑性區(qū)是由于洞周荷載產(chǎn)生壓力超過圍巖極限承載力，使局部土體產(chǎn)生變形不可恢復(fù)的屈服區(qū)域，圖10～13為開挖后和襯砌后所選2個(gè)分析面的塑性區(qū)情況，從圖中可以看出，開挖后，洞周及斷層附近的塑性區(qū)較大，而施加襯砌后，對隧洞周圍由于開挖導(dǎo)致的塑性變形有明顯改善。

3.2.3 變量監(jiān)測

在開挖和施加襯砌的計(jì)算過程中對以下變量進(jìn)行監(jiān)測：

圖14和圖15顯示洞底離圓心5.8m、8m、11m、14m處豎直方向位移（依次為黑色、紅色、藍(lán)色、綠色。下同）

從圖中可以看出，在距離開挖位置越近的地方，產(chǎn)生的位移越大，這是因?yàn)榫嚯x開挖位置越近，應(yīng)力釋放越大，受開挖卸荷影響越大。而施加襯砌后，從圖中可以看出，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移有明顯降低，因此在隧洞開挖工程中，應(yīng)及時(shí)施加襯砌，以保證洞周圍巖的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

通過數(shù)值模擬軟件對某水電站泄洪洞進(jìn)行數(shù)值開挖和襯砌計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，開挖后洞頂處最大位移為-2.34×10-3m，洞底為2.38×10-3m，施加襯砌后最大位移-6.8×10-5m，說明施加襯砌后洞周位移明顯減小，洞周圍巖穩(wěn)定性有明顯改善;開挖后洞周最大主應(yīng)力為-1.21Mpa，施加襯砌后為-1.04Mpa，應(yīng)力有所改善;開挖后洞周及斷層附近圍巖塑性區(qū)范圍較大，施加襯砌后塑性區(qū)范圍明顯減小。分析得出，施加襯砌后對隧洞圍巖的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)均有所改善，能保證隧洞開挖后的圍巖穩(wěn)定性。

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