水工有壓隧洞圍巖穩(wěn)定分析及計(jì)算

李 鵬

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 前言

目前分析圍巖穩(wěn)定的方法很多，主要有規(guī)范的方法、解析分析法、圖解分析法、數(shù)值計(jì)算方法。

隨著訓(xùn)算機(jī)技術(shù)與巖土本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)展，支護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學(xué)理論分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元程序迅速普及，邊界元及邊界元與有限元藕合法在隧洞工程中的應(yīng)用也有不少成果，用于裂隙巖體的塊體理論和離散元理論也編出了相應(yīng)的程序。本文根據(jù)不同圍巖類(lèi)別、隧洞施工方法選取典型斷面采用有限元方法進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括：施工斷面的開(kāi)挖、支護(hù)和襯砌受內(nèi)外水壓作用的受力分析。

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程是從松花江豐滿(mǎn)水庫(kù)庫(kù)區(qū)引水，輸水總干線(xiàn)起點(diǎn)為豐滿(mǎn)水庫(kù)，終點(diǎn)為馮家?guī)X分水樞紐，全長(zhǎng)110.483 km，其中有壓隧洞長(zhǎng)97.081 km。該工程是解決吉林省中部地區(qū)城市供水問(wèn)題的大型調(diào)水工程，是松遼流域水資源優(yōu)化配置的主要工程之一。本次選取輸水總干線(xiàn)1+974斷面對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性及襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析研究。

2 計(jì)算條件及模型建立

2.1 計(jì)算條件

1+974斷面采用鉆爆法開(kāi)挖，設(shè)計(jì)過(guò)水洞徑6.8 m，開(kāi)挖洞徑7.64 m，該斷面圍巖為Ⅲ類(lèi)砂礫巖，洞室開(kāi)挖底板高程為231.14 m，洞室埋深347.0 m，外水水頭高332.8 m，內(nèi)水最高壓力水頭為35.0 m。初始地應(yīng)力場(chǎng)采用地應(yīng)力測(cè)孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力值，其中隧洞中心線(xiàn)處側(cè)壓力系數(shù)取值為：Kx=1.00，Ky=1.50，Kz=1.10，Kxy=0.15。圍巖材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算采用巖體材料參數(shù)表

1）開(kāi)挖工況：圍巖承擔(dān)70%開(kāi)挖荷載，錨噴支護(hù)及圍巖共同承擔(dān)30%開(kāi)挖荷載的。

2）內(nèi)水工況：作用在襯砌上的荷載有33.2 m最高壓力水頭產(chǎn)生的內(nèi)水荷載、襯砌自重及2%的外水荷載，不考慮灌漿壓力、開(kāi)挖荷載。

3）外水工況：作用在襯砌上的荷載有該位置的壓力水頭332.8 m取折減系數(shù)為0.2產(chǎn)生的外水荷載、襯砌自重荷載和10%的開(kāi)挖荷載，不考慮灌漿壓力、內(nèi)水荷載。

采用Ⅲ類(lèi)圍巖支護(hù)襯砌參數(shù)：噴層混凝土C20，厚160 mm，襯砌混凝土C25，厚度500 mm，頂拱180°范圍布置錨桿φ22@1000 mm，L=2.5 m，掛設(shè)φ8@150鋼筋網(wǎng)。固結(jié)灌漿間排距為3 m，長(zhǎng)度為1.2倍洞半徑，灌漿比例為50%?；靥罟酀{取頂拱120°范圍。格柵拱架支護(hù)，排距為0.8 m。

2.2 有限元模型

1+974斷面有限元模型坐標(biāo)系為：X坐標(biāo)零點(diǎn)為隧洞中心；Y軸與洞室軸線(xiàn)重合，指向下游為正；Z軸與大地坐標(biāo)系重合。模型共劃分了23220個(gè)八節(jié)點(diǎn)六面體單元。其中X方向從-46.5 m～46.5 m，范圍為 93 m；Y方向從-9.5 m～9.5 m，范圍為19 m；Z向從188.46 m～281.46 m，范圍為93.0 m，與斷面實(shí)際高程相同。

圖1 1+974斷面計(jì)算模型

3 圍巖穩(wěn)定分析

3.1 開(kāi)挖工況圍巖穩(wěn)定特性分析

1）隧洞采用一次性全斷面開(kāi)挖模擬。隧洞開(kāi)挖后，隧洞沿洞周出現(xiàn)一定范圍的開(kāi)裂區(qū)和塑性區(qū)，總的破壞區(qū)深度達(dá)1.44 m，破壞區(qū)基本沿洞周均勻分布，其中開(kāi)裂區(qū)的深度為0.27m，塑性區(qū)深度達(dá)1.17 m，由于該段隧洞埋深較大，地應(yīng)力較大，因此洞周破壞深度相對(duì)稍大。

2）隧洞開(kāi)挖后，周邊圍巖向內(nèi)變形，洞周?chē)鷰r位移分布在11.2 mm～12.5 mm之間，位移分布沿洞周較均勻，隧洞頂部和底部位移稍大，但位移量值總體不大?？偟膩?lái)說(shuō)，該斷面隧洞埋深較大，初始應(yīng)力較大，但圍巖參數(shù)較高，穩(wěn)定條件較好，因此隧洞周邊圍巖沒(méi)有出現(xiàn)較大變形。

3）隧洞開(kāi)挖后，洞周應(yīng)力均以壓應(yīng)力為主，第一主應(yīng)力為-11.54 MPa～-23.25 MPa，第三主應(yīng)力為 -1.47 MPa～-10.03 MPa，其中隧洞兩側(cè)壓應(yīng)力值較大，第一主應(yīng)力分布在-19.95 MPa～-23.25 MPa之間，但隧洞附近應(yīng)力整體分布較均勻，由于隧洞埋深較大，洞室開(kāi)挖后洞周?chē)鷰r壓應(yīng)力均較大，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4）隧洞開(kāi)挖后，隧洞支護(hù)錨桿應(yīng)力分布在144 MPa～153 MPa之間，錨桿應(yīng)力分布均勻。由于該段隧洞埋深較大，隧洞開(kāi)挖釋放荷載較大，因此錨桿應(yīng)力稍大，但錨桿仍具有一定的安全儲(chǔ)備，錨桿支護(hù)參數(shù)選擇是合理的。

圖2 1+974斷面開(kāi)挖工況錨桿應(yīng)力分布圖

3.2 內(nèi)水工況襯砌穩(wěn)定特性分析

1）在內(nèi)水作用下，襯砌變形向外，襯砌變形0.1 mm～0.3 mm，由于受內(nèi)水水頭較小，襯砌變形量較小。

2）在內(nèi)水作用下，壓應(yīng)力較小，襯砌第一主應(yīng)力為-0.18MPa～-0.35 MPa；襯砌第三主應(yīng)力為1.39 MPa～1.83 MPa，為拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較均勻。在內(nèi)水作用下襯砌內(nèi)應(yīng)力分布較好，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力集中，但襯砌內(nèi)部拉應(yīng)力超過(guò)襯砌混凝土抗拉強(qiáng)度，拉應(yīng)力量值較大，混凝土可能會(huì)開(kāi)裂，有可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)水外滲，所以該段隧洞應(yīng)加強(qiáng)該斷面圍巖的固結(jié)灌漿，封堵可能的滲流通道，防止內(nèi)水外滲。

3）內(nèi)水壓作用下，襯砌的軸力為拉，分布在42 t～53 t之間，襯砌軸力分布較為均勻；彎矩為向外彎，分布在-0.07 t·m～-0.13 t·m，量值整體較小。由此看出襯砌在內(nèi)水作用下，襯砌內(nèi)力不大，分布較均勻。

圖3 1+974斷面內(nèi)水工況襯砌軸力（彎矩）分布圖

3.3 外水工況襯砌穩(wěn)定特性分析

1）在外水作用下，襯砌向洞內(nèi)變形，量值分布在1.2 mm～1.3 mm之間，襯砌變形不大，位移分布較均勻，其中襯砌底部和頂部變形相對(duì)稍大，兩側(cè)變形相對(duì)稍小。

2）在外水作用下，襯砌第一主應(yīng)力為-9.48 MPa～-10.44 MPa，襯砌第三主應(yīng)力為-0.14 MPa～-0.76 MPa，其中襯砌兩側(cè)壓應(yīng)力量值較大，總體而言，襯砌在外水作用下，襯砌受力狀態(tài)良好，由于外水水頭較大，襯砌受力較大。

3）在外水作用下，襯砌的軸力為壓，分布在-209 t～-302 t之間，彎矩為向內(nèi)彎，分布在0.41 t·m～0.65 t·m之間。襯砌軸力及彎矩分布較均勻，由于外水水頭較高，因此外水作用下，襯砌受壓較大，但不起控制作用。

圖4 1+974斷面外水工況襯砌軸力（彎矩）分布圖

4 計(jì)算結(jié)果

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表

該段隧洞埋深較大，但圍巖條件較好，錨固支護(hù)參數(shù)合理，洞室開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性較好。

內(nèi)水工況下襯砌環(huán)向最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，襯砌可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，應(yīng)該加強(qiáng)該斷面圍巖的固結(jié)灌漿，封堵可能的滲流通道。

外水工況下由于地下水位高，取0.2的外水折減系數(shù)，襯砌環(huán)向壓應(yīng)力值較大，考慮到該段隧洞地質(zhì)條件的復(fù)雜性及不確定性，同時(shí)外水折減系數(shù)取值的經(jīng)驗(yàn)性較大，為保證工程安全，設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議增加襯砌厚度，同時(shí)增加錨桿長(zhǎng)度，將錨桿延伸至襯砌內(nèi)部，考慮錨桿對(duì)襯砌的拉力作用，施工開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)該段隧洞實(shí)際地質(zhì)揭露情況，根據(jù)實(shí)際情況采取必要的工程措施減小襯砌受力，保證襯砌在外水作用下的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在水工隧洞設(shè)計(jì)中，運(yùn)用有限元法對(duì)隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到圍巖開(kāi)挖后的應(yīng)力變化及變形位移等，并根據(jù)分析結(jié)果，確認(rèn)在施工中以加固圍巖為主，形成圍巖固結(jié)圈，利用圍巖、襯砌及錨桿的聯(lián)合作用，以解決隧洞高外水壓力問(wèn)題，是切實(shí)可行，經(jīng)濟(jì)合理的。