基于FLAC 3D的引水隧洞圍巖穩(wěn)定及支護結(jié)構(gòu)研究

李 勇

(忻州水利建設(shè)投資有限公司，山西 忻州 034000)

水工隧洞結(jié)構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性研究直接關(guān)系到水工隧洞結(jié)構(gòu)施工安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了保證周圍巖體的穩(wěn)定，大量的工程支護結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于維護圍巖的穩(wěn)定，如：初期混凝土噴射支護、二次襯砌結(jié)構(gòu)支護以及錨桿支護等，定量評價支護結(jié)構(gòu)不僅可以有效保證圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可以提高工程的經(jīng)濟性和可行性。

圍巖穩(wěn)定性一直是亟需解決的工程問題。目前，已經(jīng)有大量的專家學(xué)者做了相關(guān)的研究：張子新等[1]采用塊體理論赤平解析法對礦井圍巖進行研究，并針對相應(yīng)的工程問題提出了解決方案；張玉軍等[2]通過構(gòu)建數(shù)值分析模型，分析了地下洞室結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性，并對其及進行量化評價；吳世勇等[3]以某實際水工隧洞工程為研究對象，建立數(shù)值分析模型，分析圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布等圍巖特征；姜弘道等[4]使用BESDAP程序?qū)δ乘こ痰叵滤矶慈旱膰鷰r穩(wěn)定性進行分析，分析了洞群間相互作用對圍巖穩(wěn)定性的影響作用；徐干成[5]利用黏彈性邊界元理論分析錨桿支護對圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，并對其進行評價；楊典森等[6]使用有限差分法分析了某水工隧洞結(jié)構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性，并計算支護結(jié)構(gòu)的位移和變形狀況；趙成龍等[7]驗證了非連續(xù)變形分析法對于地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析具有很好的效果；姚池等[8]利用改進剛體彈簧法分析了圍巖結(jié)構(gòu)的受力、變形狀況，并與實際工程監(jiān)測數(shù)值進行比較，驗證了該工程研究方法具有很好的準確率和適用性。本文利用FLAC 3D對某水利工程建立水工隧洞數(shù)值分析模型，定量分析隧洞襯砌結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 模型建立

本研究以我國某大型引水工程水工隧洞為研究對象，利用FLAC 3D對該水工隧洞建立三維數(shù)值分析模型。

該水工隧洞工程襯砌內(nèi)為凈空寬4m、高5.8m的拱洞型結(jié)構(gòu)，頂部為180°轉(zhuǎn)角的拱形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為豎向直墻，底板采用水平底板，該襯砌結(jié)構(gòu)厚度為0.40m。Ⅲ級圍巖主要分布在地下170m以下。Ⅳ級圍巖分布在150～170m以下。150m以上主要為Ⅴ級圍巖。

建立數(shù)值分析模型，研究范圍為隧洞5倍的寬度和高度，網(wǎng)格單元采用8節(jié)點六面體單元，該模型共有37830個網(wǎng)格單元，設(shè)置41730個單元節(jié)點，模擬單元的模型選擇和邊界約束情況見表1，構(gòu)建的模型如圖1所示。

圖1 計算模型

表1 模擬單元的模型選擇和邊界約束情況

初次噴射混凝土采用的是C20混凝土，二次襯砌采用的是C25混凝土，打入圍巖的錨桿采用的是直徑25mm的砂漿錨桿。圍巖結(jié)構(gòu)、襯砌混凝土結(jié)構(gòu)、錨桿結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)見表2—4。

表2 圍巖結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

表3 襯砌混凝土結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

表4 錨桿支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

2 工況設(shè)計

為了更加充分地研究該水工隧洞圍巖穩(wěn)定及支護結(jié)構(gòu)，模擬不同階段圍巖應(yīng)力進行施工，模擬的工況見表5。

表5 模擬工況

3 模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分布分析

對水工隧洞模型在Ⅲ類圍巖條件下進行模擬，得到水工隧洞模型在不同種工況下的應(yīng)力分布圖(最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力)如圖2—3所示。

由圖2可得，在圍巖未進行支護時，隧洞周圍圍巖出現(xiàn)的均為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力值較小，隧洞周圍最大拉應(yīng)力為0.035MPa；對隧洞周圍圍巖進行初期噴射混凝支護后，在水工隧洞拱頂位置處的拉應(yīng)力逐漸消失，進而變化為較為集中的壓應(yīng)力，而隧洞的側(cè)墻、底板的應(yīng)力變化較小，側(cè)墻、底板的最大主應(yīng)力仍為拉應(yīng)力，其值增大約0.11MPa，而在隧洞周圍圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域的最大主應(yīng)力略有降低，說明初次襯砌施工有利于提高圍巖的整體穩(wěn)定性；對隧洞周圍圍巖進行二次襯砌支護后，水工隧洞拱頂位置處的壓應(yīng)力作用范圍逐漸增大，但隧洞的側(cè)墻、底板的應(yīng)力變化仍較小，最大主拉應(yīng)力減小為0.006MPa，說明二次襯砌施工進一步提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

由圖3可得，在圍巖未進行支護時，水工隧洞周圍出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力釋放圈，側(cè)墻與底板的交接位置處出現(xiàn)了兩塊應(yīng)力集中點，最小主應(yīng)力分布中，最大壓應(yīng)力值為13.7MPa；對隧洞周圍圍巖進行初期噴射混凝支護后，應(yīng)力釋放圈略微減弱，但效果不明顯，且側(cè)墻與底板的交接位置處的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然存在，但最大值為13.0MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象緩解效果不明顯；對隧洞周圍圍巖進行二次襯砌支護后，應(yīng)力釋放圈有所減小，側(cè)墻與底板的交接位置處的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象有所緩解，最大壓應(yīng)力值為10.8MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱，圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有效提高。

3.2 位移分布分析

對水工隧洞模型在Ⅲ類圍巖條件下進行模擬，得到水工隧洞模型在不同種工況下的各方向和各結(jié)構(gòu)位移分布如圖4—6所示。

由圖4—6可得，隧洞開挖后，不同工況條件下圍巖結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律基本相同，在隧洞結(jié)構(gòu)的左、右兩側(cè)中間部位，沿著X方向水平位移是最大的；在隧洞結(jié)構(gòu)的拱頂、拱底兩側(cè)的中間部位，沿著Y方向豎向位移是最大的；在工況1為隧洞未進行支護時，隧洞結(jié)構(gòu)在底板、左右兩側(cè)豎墻、拱頂?shù)淖畲笪灰品謩e為4.17、4.73、3.83mm，工況2為隧洞進行初期噴射混凝土支護完成時，隧洞結(jié)構(gòu)在底板、左右兩側(cè)豎墻、拱頂?shù)淖畲笪灰品謩e為3.93、4.34、2.76mm，初期噴射混凝土支護可以降低隧洞局部結(jié)構(gòu)位移的5.76%、8.25%、27.94%，初期噴射混凝土支護可以有效降低水工隧洞結(jié)構(gòu)的位移，其中，對拱頂位置的作用最為明顯；工況3為隧洞進行二次襯砌結(jié)構(gòu)支護完成時，隧洞結(jié)構(gòu)在底板、左右兩側(cè)豎墻、拱頂?shù)淖畲笪灰品謩e為3.47、3.74、2.37mm，初期噴射混凝土支護可以降低隧洞局部結(jié)構(gòu)位移的11.70%、13.82%、14.13%，對于隧洞組成結(jié)構(gòu)的位移進一步降低，使得各組成部分的位移保持在規(guī)定的安全值范圍內(nèi)。

圖4 沿著X方向的位移

圖5 沿著Z方向的位移

圖6 各結(jié)構(gòu)位移分布

3.3 結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布分析

對水工隧洞模型在Ⅲ類圍巖條件下進行模擬，得到水工隧洞模型在不同工況下，各組成結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)分布如圖7所示[9-12]。

由圖7可分析得出，工況1為隧洞未進行支護時，隧洞結(jié)構(gòu)巖體周圍出現(xiàn)有較大范圍的塑性區(qū)，左右兩側(cè)豎墻的塑性區(qū)與底板、拱頂未連接貫通，左右兩側(cè)豎墻、拱頂主要受到的是剪切破壞，未出現(xiàn)受拉破壞區(qū)，圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差；工況2為隧洞進行初期噴射混凝土支護完成時，該狀態(tài)下，拱頂?shù)乃苄詤^(qū)大幅減少，左右兩側(cè)豎墻的塑性區(qū)也有明顯減少，底板處的塑性區(qū)未出現(xiàn)明顯變化，當前圍巖結(jié)構(gòu)相較于工況1時有所穩(wěn)定，剪切破壞區(qū)域僅存在于左右兩側(cè)豎墻，初期噴射混凝土支護可以有效限制塑性區(qū)域的發(fā)展；工況3為隧洞進行二次襯砌結(jié)構(gòu)支護完成時，此時塑性區(qū)域僅存于左右兩側(cè)豎墻和底板局部區(qū)域，拱頂?shù)乃苄詤^(qū)基本消失，圍巖結(jié)構(gòu)在二次襯砌結(jié)構(gòu)的限制下，基本沒有剪切破壞區(qū)域的產(chǎn)生，圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進一步提高，此時塑性區(qū)的發(fā)展得到很好的抑制。

圖7 各結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布

4 結(jié)論

利用FLAC 3D對該陜西省某大型引水工程水工隧洞建立三維數(shù)值分析模型，通過分析隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布得到以下結(jié)論。

(1)支護結(jié)構(gòu)可以有效改變圍巖結(jié)構(gòu)的受力狀況，使得為圍巖結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力逐漸減小，進而轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，使得圍巖受力更為合理，同時，有效緩解側(cè)墻與底板的交接位置處的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)支護結(jié)構(gòu)可以有效降低圍巖結(jié)構(gòu)的位移變形，初期混凝土噴射可以使得底板、左右兩側(cè)豎墻、拱頂?shù)淖畲笪灰平档?.76%、8.25%、27.94%，二尺襯砌結(jié)構(gòu)可以使得底板、左右兩側(cè)豎墻、拱頂?shù)淖畲笪灰平档?1.70%、13.82%、14.13%。

(3)支護結(jié)構(gòu)可以有效抑制水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)的發(fā)展，減小剪切破壞區(qū)域范圍，有效提高圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。