采用短臺階開挖法的水工隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

胡輝東

摘要：根據(jù)某引水隧道，采用數(shù)值方法模擬臺階開挖法的施工過程。結論表明：采用短臺階開挖法沉降和變形量小，穩(wěn)定性高;開挖后要緊跟支護結構，利用支護結構承受很大部分的圍巖壓力，為二襯的施作和發(fā)揮作用提供時機。

關鍵詞：ADINA;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性

近來，水利水電建設的不斷發(fā)展，引水隧洞作為一種重要的地下工程建筑物，隧洞開挖支護措施合理性直接關系到隧洞施工的安全。研究引水隧洞在開挖支護過程中以及支護完成后的穩(wěn)定性[1-7]，對了解支護效果和改進支護措施有一定的意義。隧洞開挖引起的圍巖卸荷[8]對圍巖的劣化作用不容忽視。引水隧洞開挖后應力重新分布，變形量大，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、塌方造成人員傷亡和設備損失，不僅延誤工期、增加造價，還造成生命財產(chǎn)的損失。因此，合理的襯砌支護方案就顯得尤為重要。隨著技術條件的完善，周澤林等[9]、賈劍青等[10]運用FLAC3D隧洞圍巖和支護結構的穩(wěn)定性。

本文擬采用數(shù)值模擬的方法，建立有限元分析模型，模擬短臺階開挖法對某引水隧道開挖，揭示開挖過程中圍巖的受力，位移情況以及支護結構的受力特點，為實際施工提供一定參考。

一、數(shù)值分析模型

（一）模型概況

結合某引水隧道相關資料建立該引水隧道模型。為了模擬現(xiàn)場施工情況，本文采用ADINA建立三維隧道模型。

模型上表面距離地面為50m，模型的邊界尺寸取約為隧道高度的5倍。這里取長為115.0m，高為120.0m。隧道為城門洞型斷面，由上半部分半圓弧加上下半部分正方形組成，圓弧半徑為3.6米，正方形邊長為7.2米，徑向洞身長度為16m。模型左右的邊界約束水平方向，底邊為全約束。計算中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌和錨桿均采用彈性模型。整個模型節(jié)點數(shù)為22469，單元數(shù)為29746。

洞身長度為16m，取4m為一個開挖進尺。本文采用短臺階的方法，分兩步開挖。其施工過程為：第1步是先開挖城門洞上部圓弧形部分的巖體，并對頂部施加錨桿支護和混凝土襯砌;第2步開挖下部矩形部分巖體，施加兩側和底部襯砌。完成第一個循環(huán)進尺后，進行第二個開挖進尺，第二個開挖進尺按上述的步驟進行。

（二）計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場力學實驗結果，模擬隧道開挖和支護過程時，采用的土體密度為2680kg·m-3，彈性模量為12.5GPa，泊松比為0.25，內摩擦角為42°，粘聚力為1.6MPa。

對于支護結構。襯砌采用混凝土材料，設計厚度為60cm，混凝土強度等級為C25?；炷敛牧厦芏葹?400kg·m-3，彈性模量為28GPa，泊松比為0.167;錨筋密度為7800kg·m-3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。

二、結果分析

（一）圍巖應力分析

伴隨著開挖工序進行，拉應力產(chǎn)生，圍巖受到的擾動增大，豎向應力的影響范圍逐漸擴大;當拱頂開挖后，豎向應力全部為壓應力，隧道頂部和底部的壓應力較大，出現(xiàn)的豎向最大壓應力在頂部，最大壓應力值為5.9Mpa。支護結構和襯砌結構施做后，隧道最大應力為3.6MPa。

（二）圍巖位移分析

每一級臺階開挖，位移都隨之而變化而逐漸擴大，支護結構施做后，圍巖位移影響范圍會相應減小，當最后一個開挖進尺完成后，底部位移的最大值為0.75mm。圍巖各部分位移都不大，證明隧道錨筋支護和混凝土襯砌較為合理。

（三）支護結構分析

錨桿承受的最大拉應力為15.4MPa，最小拉應力為2.2Mpa。襯砌頂部最大位移0.58mm，底部最大位移為0.75mm?；炷烈r砌頂部向下變形，而底部則向上變形，說明襯砌有效的抵抗了較大的圍巖變形，襯砌作用明顯。

綜上所述，在隧道施工過程中，及時施做錨桿、襯砌，能夠抑制開挖后的應力擴散。

三、結論

根據(jù)以上的分析，可以得出以下結論：

1）隧洞的開挖破壞了圍巖的原始應力場，可能會影響隧洞施工安全，因此開挖后應及時進行支護，防止發(fā)生失穩(wěn)。為減少開挖對圍巖的擾動，開挖后應跟緊支護。

2）錨桿支護結構能夠承受很大一部分的圍巖壓力，為襯砌的施作和發(fā)揮作用提供了時機。

3）支護措施承受部分圍巖壓力，圍巖應力得到改善，隧洞圍巖變形減小，襯砌對圍巖變形起明顯的限制作用，保證隧洞的施工安全。今后應加強對引水隧洞開挖支護應力變形進行數(shù)值模擬，提前分析圍巖應力變形情況，采取相應工程措施，避免在施工過程中圍巖失穩(wěn)、塌方造成人員傷亡和設備損失，因此隧洞開挖支護應力變形數(shù)值模擬在工程建設中具有重要的應用價值。

參考文獻

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