輸水隧洞V級圍巖洞段開挖進(jìn)尺數(shù)值模擬研究

易斌華，鄒 芳

(1.江西富邦建設(shè)有限公司，江西 九江 332400；2.江西長華建設(shè)工程有限公司，江西 南昌 330100)

1 工程背景

某輸水工程主要由取水頭部、預(yù)處理廠、加壓泵站、凈水廠、輸水管線和輸水隧洞組成，管線全長81km，設(shè)計(jì)日引水能力30萬m3/d。工程的輸水隧洞為長1662m的無壓自流隧洞，進(jìn)口和出口的洞底高程分別為193.3和192.4m。隧洞斷面為城門洞型設(shè)計(jì)，隧洞的進(jìn)口和出口部位設(shè)置有連接井。根據(jù)施工前的地質(zhì)勘測資料，輸水隧洞大部分洞段的工程地質(zhì)條件良好，僅在穿越D11斷層部位的圍巖狀態(tài)較差，主要為IV級到V級巖體，給隧洞的開挖施工帶來一定的挑戰(zhàn)。為保證施工的順利進(jìn)行，本文利用數(shù)值模擬的方法，對隧洞的開挖進(jìn)尺進(jìn)行優(yōu)化研究，以期為施工設(shè)計(jì)提供必要的參考。

2 FLAC3D有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 FLAC3D有限差分軟件

FLAC軟件是美國ITASCA公司研發(fā)的一款仿真計(jì)算軟件[1]，該軟件目前有二維和三維2個(gè)版本，其中，F(xiàn)LAC3D三維有限差分程序是FLAC2D二維有限差分程序的拓展，主要應(yīng)用于巖土體及各種相關(guān)材料的三維結(jié)構(gòu)受力數(shù)值模擬研究。由于FLAC3D有限差分軟件采用的是顯式拉格朗日算法以及混合-離散分區(qū)技術(shù)，因此不需要構(gòu)建剛度矩陣就能實(shí)現(xiàn)對材料三維結(jié)構(gòu)受力的準(zhǔn)確模擬[2]。所以，利用該軟件可以通過較小的計(jì)算量解決比較復(fù)雜的三維數(shù)值模擬問題?；诖?，本次研究選擇FIAC3D有限差分軟件進(jìn)行大風(fēng)口水庫新建輸水隧洞的有限元模型構(gòu)建，并展開相關(guān)研究。

2.2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

結(jié)合某引水工程輸水隧洞V級圍巖洞段的地質(zhì)情況，選擇Z2+143斷面作為典型斷面進(jìn)行模型的構(gòu)建。該斷面埋深為96m，開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸為2.8m×3.0m。根據(jù)相關(guān)理論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地下洞室工程開挖施工過程中5倍洞徑范圍內(nèi)的影響不會超過1%[3]?；谘芯康木群陀邢拊x散誤差的要求，本次研究選擇10倍洞徑作為模型的計(jì)算范圍。

在計(jì)算模型構(gòu)建過程中，以引水隧洞指向下游的方向?yàn)閅軸正方向，以與Y軸垂直指向右側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向，以隧洞中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。對構(gòu)建的模型利用六面體8節(jié)點(diǎn)等參單元模擬隧洞的圍巖巖體，利用Mohr-Coulumb模型對圍巖的彈塑性變形特征進(jìn)行模擬[4]；錨桿則利用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬[5]。對構(gòu)建的模型采用6面體8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格平均尺寸為4m，隧洞附近的圍巖區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，選取平均邊長為0.8m的網(wǎng)格單元，最終生成12367個(gè)網(wǎng)格單元，14560個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 約束條件與計(jì)算參數(shù)

FLAC3D有限元軟件提供了壓力、溫度、速度、位移支撐等多種形式的模型邊界條件[6]。在本文研究中，基于研究對象的實(shí)際特點(diǎn)和研究目的，選擇位移和應(yīng)力邊界條件。結(jié)合研究洞段的地質(zhì)和圍巖參數(shù)，將0.85MPa的法向均布荷載施加于模型的上邊界，以模擬開挖部位上部巖層自重。在模型的兩側(cè)施加1.04MPa的水平應(yīng)力；模型的上部不施加位移約束，左右兩側(cè)為水平位移約束，底部施加豎向位移約束[7]。研究采用相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)值和試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方式獲得圍巖巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1[8]。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

2.4 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

根據(jù)施工設(shè)計(jì)，輸水隧洞的V級圍巖洞段采用微臺階開挖法進(jìn)行施工。顯然，開挖進(jìn)尺設(shè)計(jì)值過小，不利于提升工程施工效率，進(jìn)而加大工程施工成本，如果開挖進(jìn)尺設(shè)計(jì)值過大，則容易誘發(fā)巨大的工程安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，研究結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)以及理論研究成果，設(shè)計(jì)0.5、1.0、1.5、2.0m四個(gè)不同的開挖進(jìn)尺，利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型對不同開挖進(jìn)尺下的圍巖位移和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得最佳開挖進(jìn)尺。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對上述4種不同工況下的輸水隧洞圍巖變形進(jìn)行模擬計(jì)算，其中拱頂沉降變形及沿縱向變化如圖2—3所示。由圖2—3可知，研究洞段的拱頂沉降會隨著開挖進(jìn)尺的增大而增大，同時(shí)增大的速率也有一定程度的增加。具體而言，0.5、1.0、1.5、2.0m四個(gè)不同的開挖進(jìn)尺下的拱頂沉降量分別為22.56、26.35、30.89、36.21mm。開挖進(jìn)尺為1.0m時(shí)，拱頂沉降變形比0.5m開挖進(jìn)尺增加3.79mm，增加了16.80%；開挖進(jìn)尺為1.5m時(shí)，拱頂沉降變形比1.0m開挖進(jìn)尺增加4.54mm，增加了17.23%；開挖進(jìn)尺為2.0m時(shí)，拱頂沉降變形比1.05m開挖進(jìn)尺增加5.41mm，增加了17.51%。

圖2 不同開挖進(jìn)尺拱頂沉降縱向變化曲線

圖3 不同開挖進(jìn)尺下拱頂沉降圖

3.2 圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對上述4種不同開挖進(jìn)尺下的輸水隧洞圍巖的拱頂、拱肩以及拱腰3個(gè)典型部位的第一主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖4—6所示第一主應(yīng)力縱向變化曲線。不同開挖進(jìn)尺圍巖最大主應(yīng)力的變化曲線如圖7所示。

由圖4—7中的變化規(guī)律可知，隨著開挖進(jìn)尺的增大，研究洞段圍巖各個(gè)典型部位的第一主應(yīng)力值也呈現(xiàn)出不斷增大的態(tài)勢，并逐步由原來的受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。從不同開挖進(jìn)尺的具體情況來看，當(dāng)開挖進(jìn)尺設(shè)定為0.5m的情況下，隧洞圍巖的拱肩部位沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，但是拱頂與拱腳部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力；在開挖進(jìn)尺增大到1.0m的情況下，隧洞圍巖的3個(gè)典型部位的第一主應(yīng)力值繼續(xù)增大，同時(shí)隧洞的拱肩部位也出現(xiàn)了比較明顯的拉應(yīng)力，但是此時(shí)的拉應(yīng)力值并沒有超過圍巖本身的抗拉強(qiáng)度，說明開挖過程中圍巖不會在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。但是，當(dāng)開挖進(jìn)尺為1.5m時(shí)，圍巖應(yīng)力就會超過圍巖巖體的抗拉強(qiáng)度極限，研究洞段的圍巖在各個(gè)典型部位均會產(chǎn)生比較明顯的受拉破壞。當(dāng)開挖進(jìn)尺為2.0m時(shí)，隧洞圍巖的拉應(yīng)力值持續(xù)增大，研究洞段的圍巖受拉破壞的區(qū)域也進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖4 不同開挖進(jìn)尺拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力變化曲線

圖5 不同開挖進(jìn)尺拱肩第一主應(yīng)力變化曲線

圖6 不同開挖進(jìn)尺拱腰第一主應(yīng)力變化曲線

圖7 不同開挖進(jìn)尺最大主應(yīng)力變化曲線

綜上所述，研究洞段的位移變形與應(yīng)力會受到開挖進(jìn)尺的明顯影響。首先，研究洞段的拱頂沉降會隨著開挖進(jìn)尺的增大而增大，同時(shí)增大的速率也有一定程度的增加。同時(shí)，研究洞段圍巖各個(gè)典型部位的第一主應(yīng)力值也呈現(xiàn)出不斷增大的態(tài)勢，并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。在開挖進(jìn)尺為1.5m時(shí)，圍巖的拉應(yīng)力值超過圍巖巖體的抗拉強(qiáng)度極限，研究洞段的圍巖在各個(gè)典型部位均會產(chǎn)生比較明顯的受拉破壞。因此，研究洞段開挖施工的安全進(jìn)尺為1.0m。

4 結(jié)論

本次研究以某引水工程輸水隧洞V級圍巖洞段為例，利用有限元數(shù)值模擬軟件對開挖進(jìn)尺進(jìn)行優(yōu)化研究，并獲得如下主要結(jié)論。

(1)隨著開挖進(jìn)尺的不斷增大，圍巖的沉降變形量也迅速增大，同時(shí)增加的速率也在變大。

(2)研究洞段圍巖各個(gè)典型部位的第一主應(yīng)力值也呈現(xiàn)出不斷增大的態(tài)勢，并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。開挖進(jìn)尺為1.5m時(shí)，圍巖的拉應(yīng)力值超過圍巖巖體的抗拉強(qiáng)度極限，研究洞段的圍巖在各個(gè)典型部位均會產(chǎn)生比較明顯的受拉破壞。

綜上，建議在開挖施工中選擇1.0m的開挖進(jìn)尺。