引水隧洞洞段圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

于士程，劉洪鋮，盧長(zhǎng)偉

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春 130021）

1 概況

新疆某輸水隧洞是連接南北兩側(cè)的大型跨流域調(diào)水工程，洞長(zhǎng)41.92 km，設(shè)計(jì)洞徑5.2 m，最大輸水流量65 m3/s，底坡1/559，為無壓輸水隧洞。輸水隧洞洞底高程1 270~1 195 m，埋深在500～2 268 m的洞段長(zhǎng)占總長(zhǎng)的2/3，屬超深長(zhǎng)隧洞[1]。隧洞沿線斷裂構(gòu)造發(fā)育，較大斷層36條，以壓、壓扭性為主[2]。隧洞跨越距離超長(zhǎng)，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，洞子埋深超大，地應(yīng)力超高，部分洞段圍巖自承能力超低，多種支護(hù)方式和處理措施的聯(lián)合實(shí)施是必然的選擇。因此，研究試圖基于洞室段圍巖初始應(yīng)力的合理假設(shè)，通過數(shù)值模擬的方式計(jì)算隧洞開挖及支護(hù)的應(yīng)力和位移變化，為地下洞室工程的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算提供必要指導(dǎo)[3]。

2 計(jì)算模型及條件建立

2.1 洞段開挖及支護(hù)模型建立

研究中以引水隧洞為工程背景，以志留系上統(tǒng)庫茹爾組（S3k）泥質(zhì)粉砂巖洞段為研究對(duì)象，洞段埋深1 000 m。隧洞輪廓為圓形，隧洞半徑3.05 m，開挖方法為全斷面開挖。為了減少模型邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，模型兩側(cè)各取10倍洞徑，最終模型尺寸為60 m×60 m。模型采用六面體單元?jiǎng)澐?，并?duì)隧洞圍巖局部進(jìn)行加密處理。支護(hù)方案采用φ25@1.5-3錨桿、15C30噴混凝土和I20b@100 cm鋼支撐。在FLAC3D有限差分軟件中，Pile單元模擬錨桿，梁（Beam）單元模擬鋼拱架。

2.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)的選取

在模型的上表面設(shè)定為自由邊界，無約束，即允許其自由的變形；模型的底面可以視為半無限空間體，為了滿足靜力平衡條件，約束模型底面各個(gè)方向的位移；模型的左右兩側(cè)面和前后面都為相應(yīng)的法向約束[4]。假定構(gòu)造應(yīng)力為洞段圍巖最大主應(yīng)力，各向主應(yīng)力分別為σH=39.5 MPa，σh=35.9 MPa，σv=27.5 MPa。巖體圍巖為Ⅳ類，其物理力學(xué)參數(shù)：變形模量4.5 GPa，泊松比0.31，內(nèi)摩擦角32.5°，粘聚力0.3 MPa，密度2.42 kg/m。

2.3 特征點(diǎn)布置

模擬隧洞開挖后，為了更直觀掌握隧洞圍巖變形、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、塑性區(qū)開展深度等信息[5]，在洞室四周布置4個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析研究，各個(gè)特征點(diǎn)的位置如圖1所示。

圖1 特征點(diǎn)位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

利用已構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型，圍巖采用彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用彈性模型。隧洞開挖后，圍巖位移計(jì)算結(jié)果見表1。從表1計(jì)算結(jié)果可知，水平方向位移量最大，究其原因，主要是圍巖最大主應(yīng)力為構(gòu)造應(yīng)力，而自重應(yīng)力為最小主應(yīng)力，因此豎直方向位移量小。

表1 隧洞開挖后各特征點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果mm

洞室開挖完畢后，首先采用C30混凝土一次襯砌，襯砌厚度為15 cm。襯砌后應(yīng)力分布如圖2所示。一襯噴混凝土拱頂和邊墻基本都是受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力29.28 MPa，無拉應(yīng)力。受力最大值主要集中在仰拱和頂拱，究其原因，主要是因?yàn)樵跇?gòu)造應(yīng)力作用下，水平位移大，應(yīng)力得到充分釋放，而自重應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，因此頂拱和仰拱應(yīng)力集中。

圖2 一襯噴混凝土主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

然后對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行錨桿支護(hù)，在仰拱間隔1.5 m布置1根錨桿，共計(jì)7根。錨桿軸力分布圖如圖3。

圖3 錨桿軸力分布圖（單位：Pa）

采集錨桿軸力，繪制錨桿軸力統(tǒng)計(jì)值見表2。從表2可知，4號(hào)錨桿所承受拉力最大為11.86 t，說明自重應(yīng)力在頂拱存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在支護(hù)前自重應(yīng)力未得到充分釋放。

表2 各錨桿軸力分布表t

最后對(duì)隧洞進(jìn)行鋼支撐支護(hù)，鋼支撐上彎矩分布如圖4。鋼支撐拱頂和兩邊墻部位的最大彎矩在2.90 kN·m左右，引起的拉壓應(yīng)力在11.6 MPa左右。

圖4 鋼支撐彎矩分布圖（單位：N·m）

鋼支撐上軸力分布如圖5。鋼支撐底邊角點(diǎn)以外部位最大軸力為195.87 kN，引起的最大壓應(yīng)力為48.97 MPa，與彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，鋼支撐所受最大壓應(yīng)力為60.57 MPa。

圖5 鋼支撐軸力分布圖（單位：N）

4 結(jié)語

通過建立有限元計(jì)算模型，利用FLAC3D進(jìn)行有限差分計(jì)算，對(duì)引水隧洞開挖及支護(hù)后的應(yīng)力及位移進(jìn)行計(jì)算分析，得出：在考慮構(gòu)造應(yīng)力為地應(yīng)力最大主應(yīng)力時(shí)，隧洞開挖后，兩側(cè)邊墻變形量大，頂拱與仰拱變形量??；隧洞圍巖支護(hù)后，一次襯砌混凝土及錨桿應(yīng)力分布均表現(xiàn)出隧洞頂拱及仰拱應(yīng)力大，這與圍巖自重應(yīng)力集中有很大關(guān)系。數(shù)值模擬隧洞開挖及圍巖支護(hù)對(duì)工程施工具有一定的借鑒意義。