秦嶺輸水隧洞越嶺段施工圍巖變形有限元分析

任喜平 黨康寧 柯嘯

摘 要：引漢濟渭秦嶺輸水隧洞越嶺段的地質結構復雜、埋深大，對不良地質洞段巖體的穩(wěn)定性進行分析研究十分必要。假定不良地質隧洞圍巖及襯砌結構的材料為連續(xù)彈性介質，采用Drucker-Prager本構模型，利用彈塑性非線性有限元法對秦嶺輸水隧洞不良地質洞段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖施工中的開挖、支護過程進行模擬分析，得到了施工過程中純開挖和初期支護工況下隧洞圍巖塑性變形規(guī)律，為秦嶺腹地不良地質洞段水工隧洞設計和施工過程選取可靠、安全、經濟的支護方式提供參考。

關鍵詞：不良地質;圍巖;塑性變形;有限元;輸水隧洞;引漢濟渭輸水工程

中圖分類號：TV53 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.029

Abstract：The crossing section of Qinling Mountain diversion tunnel of Hanjiang-to-Weihe River Project has complex geological structure and great buried depth. It is very necessary to study the stability of rock mass in unfavorable geological tunnel section. Based on the assumption that the bad geological tunnel surrounding rock and lining structure material for continuous elastic medium， the rock the Drucker-Prager constitutive model， elastic-plastic nonlinear finite element method was used to the excavation and supporting of the surrounding rock types IV and V diversion tunnel in adverse geological section and obtained the plastic deformation law of the surrounding rock of tunnel under the condition of pure excavation and the initial support condition. It had provided a reference for the selection of reliable， safe and economical supporting methods in the design and construction process of hydraulic tunnel in the hinterland of the unfavorable geological section of Qinling Mountains.

Key words： bad geology; surrounding rock; plastic deformation; finite element; water conveyance tunnel; Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project

陜西引漢濟渭工程秦嶺腹地的輸水隧洞具有大埋深、高地應力等復雜的地質條件，工程建設存在設計周期短，設計人員對開挖、支護的隧洞圍巖內部結構研究不深，以致盲目類比和套用同類工程圖紙等問題，使得現(xiàn)場實際施工過程中不良地質洞段輸水隧洞的支護效果較差?，F(xiàn)場施工人員對不良地質洞段圍巖的分析不夠仔細，也導致水工隧洞在開挖支護過程中產生較大沉降變形，引起一系列安全事故。目前針對秦嶺輸水隧洞越嶺段不良地質洞段的專門研究較少，對于不良地質洞段的水工隧洞在開挖支護過程中采用哪種支護加固措施更加合理，目前尚需分析。筆者根據(jù)引漢濟渭工程秦嶺腹地水工隧洞的實際條件及相應的地質資料，建立合理的三維有限元模型用于模擬隧洞開挖支護過程，分析施工過程中圍巖的塑性變形規(guī)律，為秦嶺輸水隧洞不良地質洞段施工中采用相對合理的開挖、支護方式提供參考。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺輸水支洞越嶺段0號支洞工程的主洞全長7 262 m，其進口方向隧洞的長度為3 562 m，出口方向隧洞的長度為3 700 m。隧洞主洞和支洞開挖全部采用鉆爆法，混凝土襯砌的現(xiàn)澆支護緊跟開挖同步進行。0號支洞的洞口位于秦嶺腹地的漢中市佛坪縣蒲河右岸三陳公路旁邊，在主洞樁號K10+200處0號支洞與主洞交匯，支洞與主洞中線存在54°34′48″的夾角，支洞采取初期支護的無軌雙車道施工，水平長度1 148 m，斜長1 153.44 m，綜合坡比10.13%。采用鉆爆法將支洞開挖完成后，分別向主洞上、下游兩個方向同步進行掘進施工。

根據(jù)秦嶺地質勘查資料可知，0號輸水支洞和主洞的通過區(qū)域地層地質情況以華力西期閃長巖（δ4）為主，淺灰至灰白色不等，巖體內主要包含長石、石英、角閃石等礦物，呈現(xiàn)粒狀變晶結構和塊狀構造，隧洞區(qū)巖體表層普遍為強風化層，厚度一般為3～8 m，單軸抗壓強度frk=400 kPa，完整基巖的單軸抗壓強度為2 500 kPa。工程區(qū)大地質構造單元屬秦嶺褶皺帶，0號支洞范圍內地質構造相對簡單，斷裂、褶皺不發(fā)育，支洞口南側約50 m處發(fā)育一條斷裂f1-3，斷帶物質為碎裂巖，斷帶寬約25 m，該處產狀大致為N45°E/65°S，正斷層，對該支洞口基本無影響，大部分地段為Ⅲ類圍巖，一部分不良地質洞段圍巖為Ⅳ、Ⅴ類。

2 有限元計算模型

2.1 有限元計算原理及步驟

有限元軟件通過將全部離散單元聚集起來表達實際連續(xù)域，作為一種高效的數(shù)值分析方法近年來在各學科領域廣泛使用[1]。

利用有限元法模擬求解不同模型的步驟具有基本相同的特點，其中主要區(qū)別表現(xiàn)在具體公式推導和運算求解計算方面。通常情況下有限元法求解步驟為：

（1）定義問題和相應的求解域。按照問題實際變化情況，近似確定求解域的幾何區(qū)域和相關物理性質狀況。

（2）離散化求解域。對相互之間存在關聯(lián)的大小和形狀不同的有限個單元構成的離散域進行計算分析，得到相應的求解域，即建立模型后進行有限元網絡模擬劃分。網格劃分的單元顯然越小越好，這樣形成的離散域近似程度會越好，通過模擬計算的結果就會越精確，不過網格劃分較小時計算量及誤差會增大。網格劃分對有限元方法模擬計算得到相應求解域起著至關重要的作用。

（3）計算過程的狀態(tài)變量和控制方法的控制過程模擬。用一組包含問題的狀態(tài)變量形成的微分方程式表示一個實質性的物理問題，為方便有限元方法的求解，可以將微分方程用泛函形式進行替代。

（4）模擬過程的單元推導計算。對網格單元模擬構造一個合理的近似解，形成具備有限單元求解方法的列式，通過對單元坐標系的合理選擇，構建單元試函數(shù)。通過模擬計算過程導出有限元網格單元中各變量之間的離散關系，從而通過模擬計算得到相應的單元矩陣[2]。

網格單元的推導過程要遵循許多原則，以保證求解的收斂性。對工程模擬計算過程的應用而言，重點留意求解過程中解題性能與約束的各種單元。網格模擬單元形狀以規(guī)則為好，當網格單元出現(xiàn)畸形時精度會降低，在存在缺秩的危險情況下會導致求解無法進行。

（5）計算過程的總裝求解。通過單元總裝得到離散域的聯(lián)合方程組。對有限元模型中相鄰單元節(jié)點進行模擬處理的過程就是總裝求解過程，其處理主要依靠狀態(tài)變量和導數(shù)連續(xù)性進行。

（6）聯(lián)合方程組求解及結果輸出。構建有限元模型聯(lián)立方程組，其相應求解主要有直接法、迭代法、隨機法等。通過所有的網格單元節(jié)點變量的近似值來模擬計算和求解[3]。與設計準則提供的允許值對比，分析計算結果的合理性，確定是否需要重復計算。

2.2 計算模型

將秦嶺輸水隧洞0號洞不良地質段樁號K51+283作為坐標系的零點，輸水隧洞的軸線方向作為X軸，指向隧洞下游方向為正;豎直方向作為Z軸，向上為正;與隧洞軸線垂直的方向作為Y軸，朝向輸水隧洞的北向為正[4]。

采用ANSYS軟件選取6倍洞徑的圍巖建立三維有限元模型，X軸方向選取0～50 m;Y軸方向選取-50～50 m;Z軸方向選取地下水位1 758 m作為下邊界，地表面作為上邊界。模型底部采用三向約束，側邊界采用水平向約束。圍巖和混凝土結構有限元網格劃分采用四節(jié)點面單元，鋼筋有限元網格劃分采用兩節(jié)點線單元，共計25 675個節(jié)點和28 780個單元。圍巖和襯砌結構的三維有限元模型見圖1。

根據(jù)引漢濟渭秦嶺輸水隧洞越嶺段0號洞的圍巖物理力學性質，圍巖、襯砌混凝土選取具有彈塑性Drucker-Prager屈服條件的理想材料，鋼筋混凝土的變形在彈性范圍內采用線彈性模型。計算過程選用ANSYS程序中的三維實體單元SOLID185單元模擬圍巖、初期混凝土支護，襯砌混凝土通過黏結單元和圍巖連接在一起或者將其參量與相鄰單元耦合起來，以達到共同變形、受力的目的。圍巖與襯砌、鋼支撐之間設置面-面接觸，采用TARGE169和CONTA171單元模擬接觸對，圍巖面作為目標面是剛性的，襯砌面作為接觸面是柔性的，構成剛體-柔體的接觸。錨桿與襯砌和圍巖之間設置點-面接觸，采用TARGE169和CONTA175單元模擬接觸對[5]。

2.3 計算參數(shù)及荷載

依據(jù)秦嶺輸水隧洞0號洞地質資料和相關參考資料確定Ⅳ、Ⅴ類圍巖及襯砌混凝土、鋼筋的力學參數(shù)，見表1。

秦嶺輸水隧洞0號洞施工過程中的荷載主要有圍巖壓力、襯砌自重、外水壓力（2 MPa）、灌漿壓力（0.35 MPa）。

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

計算得到了Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖、初期支護過程中圍巖結構的塑性變形結果及相應的云圖，部分結果見表2、表3和圖2～圖5。

3.2 Ⅳ類圍巖塑性分析

由表2及圖2、圖3可知，Ⅳ類圍巖在隧洞開挖完成后未支護狀態(tài)下，在隧洞頂拱、兩側出現(xiàn)大于開挖直徑的深塑性區(qū)域，在進行支護處理后，隧洞頂拱圍巖的塑性區(qū)出現(xiàn)了一定程度的縮小，但側向拱墻的塑性區(qū)深度仍然相對較大，其塑性區(qū)變形范圍為1～3 m。從計算結果可以看出，Ⅳ類圍巖隧洞采用4.5 m錨桿和噴20 cm厚的混凝土支護處理存在不足情況，會影響施工安全，在施工中可根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取加長側向圍巖錨桿、鋼拱架支護等加強處理措施。

3.3 Ⅴ類圍巖塑性分析

由表3和圖4、圖5可知，Ⅴ類圍巖在隧洞開挖完成后未支護的狀態(tài)下，在隧洞頂拱、兩側均出現(xiàn)大于開挖直徑的深塑性區(qū);在進行支護處理后，隧洞頂拱塑性區(qū)域有所縮小;在Ⅴ類圍巖整體性比較完整的情況下，側向塑性區(qū)大幅縮小，反之側向塑性區(qū)域有較大的開展深度，塑性區(qū)域縮小幅度不會太大。

4 結 論

通過ANSYS有限元軟件對引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段Ⅳ、Ⅴ類圍巖進行三維有限元建模計算，得出開挖、支護處理施工過程中圍巖結構的塑性變形規(guī)律，可知秦嶺輸水隧洞越嶺段開挖支護后圍巖塑性變形在水工規(guī)范允許范圍內，開挖支護施工過程中初期支護后圍巖的整體處于安全狀態(tài)。在不良地質洞段的隧洞開挖、支護后隧洞拱頂和邊墻兩側巖體塑性區(qū)域存在著較大的開展深度，對隧洞運行期的安全不利，二襯混凝土施工完成后需進行回填、固結灌漿處理和及時施做拱頂排水孔。在施工過程中應根據(jù)實際情況對隧洞不良地質洞段開展變形監(jiān)測工作，依據(jù)監(jiān)測結果進行分析研究，在施工中必要時采取加密鋼支撐、加長錨桿、增加灌漿量等處理方案，通過采用支護和灌漿相結合的施工方案，能夠有效加強輸水隧洞越嶺段巖體結構整體的穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[2] 趙精讓.低壓深埋水工隧洞襯砌結構分析[D].西安：西安理工大學，2007：189-197.

[3] 胡巖松.ANSYS模擬隧道施工過程應用[J].山西建筑，2010（3）：89-110.

[4] 沈明榮，陳建峰.巖體力學[M].上海：同濟大學出版社，2008：56-60.

[5] 吳數(shù)偉，張建海，張雪晶，等.錦屏電站左岸導流洞局部圍巖失穩(wěn)有限元分析[J].四川水力發(fā)電，2005，47（6）：124-127.

【責任編輯 張華巖】