V類圍巖條件下岔洞穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析及綜合支護(hù)評(píng)價(jià)

何 帥

(新疆水利電力建設(shè)總公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水利工程是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性保障，平衡水資源空間的均衡性可為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)大力量。在區(qū)域性調(diào)水工程中，隧洞是重要的輸水及交通建筑物，保障隧洞的安全穩(wěn)定具有十分重要意義。隧洞工程具有長(zhǎng)距離、穿越地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等典型特征。因此，隧洞工程在破碎圍巖條件下，尤其是隧洞交叉部位(岔洞)位于破碎巖體區(qū)域時(shí)的穩(wěn)定性研究顯得十分必要。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)隧洞岔洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了很多有建設(shè)性的研究。馬永軍[1-2]采用FLAC3D計(jì)算軟件，基于官地水電站，對(duì)尾水岔洞永久襯砌進(jìn)行了三維有限元分析，研究了襯砌的內(nèi)力與變形特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果為尾水岔洞的襯砌結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)及配筋設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。林鵬等[3]基于彈塑性理論，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件，計(jì)算并得出官地水電站尾水岔洞圍巖的應(yīng)力分布、變形分布及塑性屈服區(qū)分布特性，據(jù)此評(píng)價(jià)岔洞的支護(hù)效果，進(jìn)而提出了保證圍巖穩(wěn)定的相應(yīng)支護(hù)措施。郭海慶[4]等采用彈塑性有限元計(jì)算方法，基于彈塑性理論計(jì)算開(kāi)挖后岔洞圍巖的應(yīng)力、位移及塑性屈服范圍，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出施工、支護(hù)工程建議。錢軍剛[5]采用離散元軟件，基于彈塑性本構(gòu)模型，計(jì)算并分析了尾水隧洞岔洞處圍巖的受力特性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)及施工的優(yōu)化提出了建議。佘鴻翔等[6]基于黃金坪水電站尾水岔洞，針對(duì)其體型復(fù)雜、跨度大、受力條件差等特點(diǎn)，根據(jù)三維有限元分析成果及監(jiān)測(cè)成果，優(yōu)化岔洞的支護(hù)及開(kāi)挖方案，為施工期岔洞圍巖的穩(wěn)定安全提供了保障。

以上學(xué)者在隧洞圍巖及岔洞圍巖穩(wěn)定研究上做出了一定的貢獻(xiàn)，其研究成果在開(kāi)挖、支護(hù)及設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面均具有一定影響及意義。然而，在破碎圍巖條件下，綜合支護(hù)下岔洞圍巖的穩(wěn)定特性及支護(hù)評(píng)價(jià)研究尚為不足；V類圍巖條件下，采取綜合支護(hù)措施的岔洞部分圍巖特性分析以及支護(hù)評(píng)價(jià)仍需深入。為此，本文依托于新疆某調(diào)水工程，采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件，計(jì)算并分析V類圍巖條件下綜合支護(hù)條件岔洞部分的圍巖應(yīng)力、位移及塑性分布特性，旨在評(píng)價(jià)破碎圍巖條件下岔洞的綜合支護(hù)措施，同時(shí)基于計(jì)算結(jié)果，為岔洞施工措施、支護(hù)措施提出建議。

1 地質(zhì)概況

新疆某調(diào)水工程輸水隧洞主洞與支洞的岔洞段地質(zhì)條件見(jiàn)表1。岔洞圍巖為奧陶系黑云母石英片巖、二云石英片巖：顏色為淺灰～灰黑色，呈中厚層～厚層狀，巖層產(chǎn)狀：290°～300°NE∠40°～50°，片理面與巖層產(chǎn)狀一致，巖石片理發(fā)育，片理間距2～5 cm，巖石節(jié)理多為片理面，裂隙中等發(fā)育，裂隙間距30～80 cm，裂隙面粗糙、起伏，裂隙面絹云母化、綠泥石化現(xiàn)象普遍，變質(zhì)程度較深。經(jīng)礦物成分分析，巖石中石英含量約占50%～60%。

表1 岔洞Ⅴ類圍巖段地層巖性基本地質(zhì)特性表

根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪并結(jié)合物探、鉆探、試驗(yàn)資料綜合分析，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)圍巖詳細(xì)分類，主要以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀五大因素之和的總評(píng)分為基本判據(jù)，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為限定判據(jù)[7]，并結(jié)合鉆孔巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、巖體結(jié)構(gòu)、巖體透水率、巖體波速、巖體節(jié)理系數(shù)、裂隙平均間距、巖體彈變形模量、巖體堅(jiān)固系數(shù)、巖體彈抗系數(shù)及圍巖巖爆等，綜合劃分該處巖類別為Ⅴ類圍巖。對(duì)此，針對(duì)完整性極差的隧洞交叉部位，采取傳統(tǒng)的二維簡(jiǎn)化計(jì)算并確定綜合支護(hù)措施的合理性是難以達(dá)到目的的。因此，采用三維數(shù)值計(jì)算的方法，可有效分析V類圍巖條件下，復(fù)雜體型的岔洞在綜合支護(hù)措施中的應(yīng)力、位移以及塑性開(kāi)展情況，有利于對(duì)此類問(wèn)題的開(kāi)挖、支護(hù)措施進(jìn)行凝練總結(jié)，研究成果旨在為相關(guān)破碎巖體下岔洞開(kāi)挖及襯砌提供參考。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 本構(gòu)模型

本構(gòu)模型是巖土材料力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)性描述，表達(dá)的是外載條件下巖、土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此本構(gòu)模型的選擇是數(shù)值模擬的一個(gè)關(guān)鍵性步驟。對(duì)具體的工程分析選擇本構(gòu)模型時(shí)，必須考慮到工程材料的已知力學(xué)特性和本構(gòu)模型的適用范圍。只有當(dāng)選擇的本構(gòu)模型與工程材料力學(xué)特性契合度較高時(shí)，其選擇才是合理的。

巖土工程中，根據(jù)巖石力學(xué)特性，數(shù)值計(jì)算時(shí)常采用彈塑性本構(gòu)模型。結(jié)合本工程地質(zhì)條件，選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，以摩爾庫(kù)倫條件作為圍巖屈服的準(zhǔn)則。以摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則為剪切破壞準(zhǔn)則，其剪切屈服面函數(shù)為[8-9]：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(1)

(2)

式中：φ為q-p應(yīng)力面上的摩爾庫(kù)倫屈服面傾斜角；c為材料的黏聚力；Θ為極偏角，定義cos(3Θ)=(J3)3/q3，J3為第三偏應(yīng)力不變量。

由于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則屈服平面存在尖角，為避免尖角影響，使尖角處出現(xiàn)塑性流動(dòng)方向不唯一現(xiàn)象，采用橢圓函數(shù)作為塑性面，其函數(shù)表達(dá)式如下：

(3)

式中：Ψ為材料剪脹角；c0為未發(fā)生塑性變形的初始凝聚力；ε為子午面偏心率；Rmw為控制塑性勢(shì)面的參數(shù)，按下式計(jì)算

(4)

式中：e為π面上的偏心率，按下式計(jì)算

(5)

2.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

V類圍巖岔洞部分埋深約為100 m。主洞為馬蹄形斷面，尺寸為11 m×12.5 m，支洞與主洞夾角為55°，尺寸為8 m×9.5 m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，沿隧洞縱向和橫向，隧洞開(kāi)挖影響的主要范圍為2～3倍洞徑D以內(nèi)。本模型上、下、右側(cè)邊界距離隧洞開(kāi)挖邊界90 m左右，大于3倍D；沿隧洞縱向模型長(zhǎng)度為100 m，大于3倍D，模型尺寸大小滿足邊界影響要求。根據(jù)工程實(shí)際情況，建立三維有數(shù)值計(jì)算模型并劃分網(wǎng)格。三維數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖1，整個(gè)模型共劃分三維實(shí)體單元198 000個(gè)、錨桿單元約2 300個(gè)、鋼支撐單元約3 500個(gè)。巖體、混凝土采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元模擬，錨桿采用桿件單元模擬，鋼支撐采用組合桿件單元模擬。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

2.3 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試驗(yàn)，得出巖石的力學(xué)參數(shù)，據(jù)此選取巖體的物理力學(xué)參數(shù)。圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 岔洞Ⅴ類圍巖物理力學(xué)參數(shù)

整體模型邊界條件采用上部壓力邊界，即根據(jù)整體模型尺寸及埋深設(shè)定壓力；模型底面為全約束條件；整體模型側(cè)向面采用法相約束。隧洞采取鉆爆法施工、進(jìn)尺3.2 m，主洞二次襯砌滯后掌子面300 m。隧洞開(kāi)挖及支護(hù)三維數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2。主洞一次支護(hù)采用11Φ25L 3.0 m/12Φ25L 3.0 m系統(tǒng)錨桿、2Φ25L 3.0 m鎖腳錨桿、厚15 cm C30噴射混凝土和HW125型鋼支撐支護(hù)。支洞一次支護(hù)采用厚15 cm C25噴射混凝土、Φ8鋼筋網(wǎng)200 mm×200 mm、16工字鋼拱架間距1.0 m。主洞及支洞均采用厚40 cm C30模筑鋼筋混凝土進(jìn)行二次襯砌。

為了細(xì)致模擬隧洞開(kāi)挖、支護(hù)、運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的力學(xué)行為，共設(shè)置54個(gè)計(jì)算步(STEP)：①STEP1：初始地應(yīng)力場(chǎng)，其值依據(jù)工程地質(zhì)資料反演；②STEP2至STEP20：支洞開(kāi)挖，累計(jì)進(jìn)尺45 m；③STEP20至STEP54：主洞開(kāi)挖，累計(jì)進(jìn)尺100 m；④鉆爆 V類圍巖，每次進(jìn)尺2.4 m，一次噴混凝土錨桿支護(hù)滯后于掌子面1個(gè)開(kāi)挖循環(huán)。

數(shù)值計(jì)算中，隧洞圍巖穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力合理判斷的參考標(biāo)準(zhǔn)：①圍巖屈服區(qū)深度不超過(guò)3.5 m，并且屈服深度都不超過(guò)錨桿長(zhǎng)度；②錨桿上承受拉力不大于100 kN；③初支噴射混凝土壓應(yīng)力不超過(guò)25 MPa，拉應(yīng)力不超過(guò)1.2 MPa；④鋼支撐上的拉、壓應(yīng)力不超過(guò)150 MPa。隧洞開(kāi)挖及支護(hù)示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 隧洞開(kāi)挖及支護(hù)示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖及襯砌應(yīng)力場(chǎng)

根據(jù)前述數(shù)值計(jì)算模型及相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)，采用有限差分軟件進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，得出岔洞Ⅴ類圍巖在各個(gè)開(kāi)挖步驟下的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。

由隧洞交叉處圍巖應(yīng)力云圖(圖3)可以看出，圍巖應(yīng)力最大區(qū)域主要分布主洞和支洞交叉處的邊墻腳附近，此部位存在局部應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為2.72 MPa。

圖3 岔洞圍巖最小主應(yīng)力分布云圖

圖4為鋼支撐軸向應(yīng)力分布圖。從圖4中可以看出，其最大應(yīng)力為42.87 MPa。根據(jù)錨桿軸向應(yīng)力分布圖可以看出，系統(tǒng)錨桿的最大軸力為36.69 kN，鎖腳錨桿的最大軸力為26.33 kN。由此可以得出，鋼支撐及錨桿均滿足受力要求。

圖4 鋼支撐及錨桿受力云圖

一次支護(hù)應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。由圖5可知，一次噴混凝土支護(hù)拱頂和邊墻基本都處于受壓狀態(tài)。一次支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力較均勻，但位于岔洞區(qū)有明顯的壓應(yīng)力集中部位，最大壓應(yīng)力為12.00 MPa。岔洞一次噴混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂處有部分區(qū)域?yàn)槭芾瓲顟B(tài)，最大拉應(yīng)力為0.69 MPa。

圖5 岔洞一次支護(hù)主應(yīng)力分布云圖

3.2 圍巖位移場(chǎng)

主洞和支洞圍巖位移分布圖見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，經(jīng)一次支護(hù)下，主洞圍巖拱頂豎向位移為1.46 cm，邊墻水平位移為0.90 cm，仰拱豎向位移1.06 cm，隧洞拱頂?shù)淖冃屋^大，側(cè)邊墻收斂相對(duì)較小。同時(shí)，對(duì)于岔洞部位圍巖來(lái)說(shuō)，靠近支洞一側(cè)圍巖位移稍大。交叉處隧道圍巖位移較小，巖體穩(wěn)定性較好。計(jì)算結(jié)果顯示，針對(duì)V類圍巖條件下的岔洞圍巖，采用一次噴錨及鋼拱架支護(hù)方法可有效控制隧洞圍巖位移。

圖6 岔洞處圍巖位移分布圖

3.3 塑性區(qū)特性

岔洞處圍巖塑性區(qū)云圖見(jiàn)圖7。圖7中可看出，圍巖塑性區(qū)開(kāi)展深度最大值位于邊墻附近為2.50 m，拱頂處為0.90 m，仰拱處為0.70 m，主要為拉伸塑性狀態(tài)和剪切塑性狀態(tài)。圍巖塑性區(qū)深度最值小為3.5 m，同時(shí)小于一次支護(hù)中錨桿長(zhǎng)度且有效錨固長(zhǎng)度。因此，從塑性區(qū)狀態(tài)來(lái)看，圍巖穩(wěn)定性較好。

圖7 隧洞V類圍巖塑性區(qū)分布云圖

4 討 論

本文依托于新疆某輸水工程，采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，基于Mohr-Cuolomb理想彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)隧洞的V類圍巖岔洞進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)有限差分計(jì)算結(jié)果中主應(yīng)力、位移、塑性區(qū)進(jìn)行了定性及定量的討論分析。

從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，岔洞處圍巖應(yīng)力最大區(qū)域主要分布在主洞和支洞交叉處的邊墻腳附近，此部位存在局部應(yīng)力集中。一次支護(hù)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為12.00 MPa，拉應(yīng)力位于拱腳處，最大拉應(yīng)力為0.69 MPa。根據(jù)噴混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性可以看出，隧洞交叉尖角區(qū)域圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的荷載較其他部位大。由此可以得出，該部位的巖體受力特性較差，可能已發(fā)生破壞。

從位移計(jì)算結(jié)果看出，圍巖條件雖然極度破碎，但由于采取了較好綜合支護(hù)措施，圍巖整體變形較好。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圍巖在開(kāi)挖時(shí)，宜預(yù)留3 cm變形值，以保證工程完工后有足夠的過(guò)流斷面。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算所得圍巖塑性區(qū)結(jié)果可知，該破碎圍巖段岔洞在綜合支護(hù)條件下圍巖塑性破壞可控，并處于較為合理的范圍內(nèi)，錨桿長(zhǎng)度滿足岔洞圍巖最大塑性區(qū)深度。同時(shí)，根據(jù)云圖可以看出，隧洞交叉處圍巖尖角區(qū)已明顯發(fā)生剪-拉塑性破壞，這與噴混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)特性相對(duì)應(yīng)。

綜上所述，埋深100 m、V類圍巖條件下，隧洞交叉部位圍巖變形量、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、初支噴砼應(yīng)力、塑性區(qū)分布范圍等均滿足要求，可以保證圍巖穩(wěn)定。針對(duì)該部位受力及變形特性，考慮到施工與計(jì)算的差異，為防止圍巖塑性破壞產(chǎn)生局部破損塌落，隧洞開(kāi)挖后宜盡可能及時(shí)采用噴錨支護(hù)，尖角處圍巖可采取超前錨桿、導(dǎo)洞先行等優(yōu)化支護(hù)及開(kāi)挖措施，特別是對(duì)于大型硐室交叉部位，以降低工程事故隱患、確保圍巖穩(wěn)定，進(jìn)而減小因圍巖坍塌造成的工程事故、人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié) 論

本文依托新疆某大型泵站工程，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，基于Mohr-Cuolomb理想彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)V類破碎圍巖條件下隧洞岔洞的圍巖及綜合襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

1) 破碎圍巖條件下，錨噴鋼拱架綜合支護(hù)措施可有效保證岔洞穩(wěn)定性。

2) 岔洞尖角部位圍巖受力特性較差，宜采局部?jī)?yōu)化施工方案，同時(shí)超前支護(hù)，盡可能及時(shí)掛網(wǎng)噴錨支護(hù)。

3) 岔洞部位頂拱處受到拉應(yīng)力，宜采取加強(qiáng)支護(hù)，以防止掉塊及垮塌安全事故的發(fā)生。