高類別水工隧洞圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

馮 杰

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430000）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展， 全國(guó)尤其是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展地區(qū)用電需求越來(lái)越大，在引水工程中，引水隧洞圍巖的穩(wěn)定性至關(guān)重要， 關(guān)系到引水的效益和安全問(wèn)題。因此，研究引水隧洞圍巖的穩(wěn)定性具有重要意義。

針對(duì)引水隧洞圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題，很多學(xué)者進(jìn)行廣泛研究。李唱唱等［1］以新疆某引水隧洞工程為依托，利用水壓致裂法和三維水壓致裂法對(duì)低應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析，并采用離散元軟件進(jìn)行模擬研究，分析深埋高地應(yīng)力下引水隧洞圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題。李海寧等［2］為研究不同產(chǎn)狀下層狀引水隧洞在施工中圍巖穩(wěn)定性特征， 以青海省某引水工程為例，建立了不同巖層傾角下引水隧洞的三維有限元計(jì)算模型，分析圍巖位移、塑性區(qū)及最大主應(yīng)力的變化規(guī)律。鄭亞津等［3］結(jié)合淺埋隧洞圍巖穩(wěn)定性理論，利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖豎直位移和水平位移及圍巖應(yīng)力特征進(jìn)行分析。何小龍等［4］利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析外水壓力作用下引水隧洞的受力變形。劉杰等［5］以丹巴引水隧洞石英云母片巖為對(duì)象, 研究巖體各向異性特性及開(kāi)挖卸荷作用對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響。李欣［6］、胡天明［7］、齊凱［8］、王克忠等［9］針對(duì)引水隧洞在開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析。王志鵬［10］、張明高等［11］則是對(duì)含節(jié)理巖體的隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

研究者們對(duì)于引水隧洞圍巖穩(wěn)定性的分析相對(duì)較多， 但低于圍巖力學(xué)性質(zhì)較差的V 類圍巖穩(wěn)定性研究的相對(duì)較少，基于此，本文以某引水隧洞出水口V 類圍巖為研究對(duì)象， 根據(jù)實(shí)際工程中巖體的力學(xué)參數(shù)， 采用數(shù)值模擬的方法對(duì)該出水口圍巖的位移及第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，結(jié)論可為相似工程案例提供借鑒。

1 工程概況

十堰市中心城區(qū)引水工程是十堰市中心城區(qū)水資源配置工程的一部分，位于潘口水庫(kù)進(jìn)口段～霍河隧洞出口段，樁號(hào)0+000～4+267，設(shè)計(jì)縱坡1∶3500，線路起點(diǎn)高程327.50 m，終點(diǎn)高程326.30 m。進(jìn)口段至出口段隧洞線路平面總長(zhǎng)4.267 km， 設(shè)計(jì)流量6.7 m3/s。進(jìn)水口位于距潘口水庫(kù)大壩直線距離約7.5 km 的庫(kù)區(qū)右岸岸坡，取水建筑物為豎井式進(jìn)水口，底板高程327.5 m， 試驗(yàn)段出水口底板高程326.3 m， 坡降0.028%。進(jìn)水口設(shè)攔污柵、檢修閘門、工作閘門，工作閘門后為連接段，連接段后為無(wú)壓輸水洞。輸水洞根據(jù)巖石類別不同，采用了不同的襯砌型式，隧洞成型斷面尺寸3.0 m×3.5 m（寬×高，城門洞型斷面）。

引水隧洞總長(zhǎng)4.197 km。根據(jù)地質(zhì)圍巖分類，隧洞均為巖石洞,隧洞段均采用城門洞型斷面。Ⅲ類圍巖段隧洞前期支護(hù)采用噴錨鋼筋網(wǎng)支護(hù)， 后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌， 隧洞襯砌為10 cm 掛網(wǎng)噴錨支護(hù)加30 cm 鋼筋混凝土襯砌， 襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。 Ⅳ類圍巖段隧洞前期支護(hù)采用局部小導(dǎo)管注漿加I-16a 鋼拱架支護(hù)加噴錨鋼筋網(wǎng)支護(hù)，后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，隧洞襯砌為25 cm掛網(wǎng)噴錨支護(hù)加35 cm 鋼筋混凝土襯砌。 襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。 灌漿采用洞頂120°回填灌漿加固結(jié)灌漿。V 類圍巖段隧洞前期支護(hù)采用管棚注漿加I-18a 鋼拱架支護(hù)加噴錨鋼筋網(wǎng)支護(hù)， 后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌， 隧洞襯砌為30 cm 掛網(wǎng)噴錨支護(hù)加60 cm 鋼筋混凝土襯砌。襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。灌漿采用洞頂120°回填灌漿加固結(jié)灌漿。 斷層帶圍巖段隧洞前期支護(hù)采用管棚注漿加I-18a 鋼拱架支護(hù)加噴錨鋼筋網(wǎng)支護(hù)，后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌， 隧洞襯砌為30 cm 掛網(wǎng)噴錨支護(hù)加60 cm 鋼筋混凝土襯砌， 底板為1 m 厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土。襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。灌漿采用洞頂120°回填灌漿加固結(jié)灌漿。

2 工程地質(zhì)條件

引水隧洞所穿越地形地貌單元屬構(gòu)造侵蝕剝蝕中—低山區(qū)。山脈大致沿東西方向伸展。區(qū)內(nèi)山巒重疊，地形復(fù)雜，河谷深切，峽谷縱橫，懸崖峭壁處處可見(jiàn)?？偟牡貏?shì)由西向東、由南向北逐漸降低，但南北差異較大， 東西差異略小。 受北西向斷裂構(gòu)造的控制，形成天然廊道式地形。工程區(qū)地形分水嶺一般呈近東西向，兩側(cè)的山嶺多為北北東或南南西的排列，繼續(xù)向外伸展， 屬于中山區(qū)深切割的高中山帶和中低山區(qū)的中切割帶。山脊多呈尖棱齒狀、長(zhǎng)垣狀，基巖裸露，山坡呈階梯狀，上部山脊段和下部河谷段坡度較陡，一般坡度40°以上，中間坡度略緩，多在25°～30°之間。

隧洞出水口圍巖主要為V 類圍巖， 該段為隧洞淺埋段，隧洞穿越地層為奧陶系（O）石英絹云千枚巖、 絹云石英千枚巖夾泥質(zhì)絹云千枚巖, 圍巖為軟巖，巖體完整性差，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀，巖層產(chǎn)狀為傾向30°傾角45°，巖層走向與隧洞軸線夾角一般為65°。 出口處邊坡開(kāi)挖使得坡體長(zhǎng)時(shí)間暴露于大氣中，加速巖體風(fēng)化，坡面附近裂隙普遍張開(kāi)，加上受降雨影響，巖體強(qiáng)度下降明顯，手搓易碎，局部泥化，該段地下水以基巖裂隙水賦存，水量貧乏。該段圍巖屬極不穩(wěn)定巖體。巖體破碎，結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，充填泥質(zhì)薄膜或夾層，巖體完整性極差，強(qiáng)度低，洞室圍巖大多為軟巖，巖體結(jié)構(gòu)類型多為極薄層、次塊狀或碎塊結(jié)構(gòu)，圍巖變形和破壞較為嚴(yán)重。

3 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地表水主要由堵河、霍河等構(gòu)成。堵河由西南向東北流經(jīng)漢江，霍河由東南向西北流經(jīng)堵河，堵河是區(qū)內(nèi)地表水和地下水的排泄基準(zhǔn)面。 出口段沖溝主要有螞蟥溝， 常年都有流水， 少數(shù)沖溝為干溝，這些沖溝構(gòu)成工程區(qū)地表水排泄網(wǎng)絡(luò)，各沖溝橫斷面均呈寬緩的“U”和“V”型，是區(qū)內(nèi)地表水主要匯集排泄通道。 沿線地表水主要由大氣降水和沖溝來(lái)水補(bǔ)給，向河谷排泄。

工程區(qū)地下水主要包括第四系松散堆積孔隙潛水、基巖裂隙水，該區(qū)域夏季雨水充沛，具有大而急的特點(diǎn)，孔隙潛水主要受地表降水補(bǔ)給，區(qū)內(nèi)基巖裂隙水主要賦存于基巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，均勻性極差，依靠大氣降水與地表水補(bǔ)給。

根據(jù)鉆孔壓水資料顯示， 出口調(diào)整段引水隧洞圍巖的巖體透水率大多在1＜q＜5Lu 之間， 圍巖的透水性以弱透水性為主，局部裂隙發(fā)育，表現(xiàn)為中等透水性。根據(jù)地表與地下水水質(zhì)分析成果來(lái)看，本區(qū)地表與地下水化學(xué)類型主要為重碳酸鈣、 鎂型。 根據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)，水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

4 圍巖穩(wěn)定性分析

為分析該出水口隧洞的圍巖穩(wěn)定性， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)情況采用數(shù)值模擬的方法通過(guò)有限元軟件ANSYS 從圍巖應(yīng)力分布及位移變化情況方面綜合進(jìn)行分析。

4.1 模型建立及參數(shù)選取

選取出水口圍巖典型斷面（如圖1）作為建模依據(jù)，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型的上邊界取實(shí)際地形曲面，左右邊界距離洞軸線大于5 倍洞徑，下邊界距離洞軸線大于3 倍的洞徑。 模型剖分中襯砌部分3～5 層單元格， 洞周5 m 范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，方便觀察洞周位移應(yīng)力變化。建立隧洞及開(kāi)挖完成后的模型分別如圖2 和圖3。

圖1 隧洞出水口斷面地質(zhì)剖面圖

圖2 隧洞出水口模型

圖3 隧洞開(kāi)挖完成后模型

隧洞模型的巖體力學(xué)參數(shù)及支護(hù)方式均與實(shí)際工程相同，詳細(xì)參數(shù)及支護(hù)方式如表1 和表2。模型選用的是笛卡爾坐標(biāo)系，整體直角坐標(biāo)OXY。坐標(biāo)原點(diǎn)選在模型的左下角，水平向右為X 軸正向；豎直向上方向?yàn)樽鴺?biāo)軸Y 軸正向。

表1 隧洞圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧洞圍巖巖性及支護(hù)

4.2 位移分析

隧洞圍巖位移是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，通過(guò)對(duì)建立模型開(kāi)挖處理，分析開(kāi)挖完成后圍巖在X 方向和Y 方向的位移變化情況（如圖4 和圖5）。觀察發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖后隧洞圍巖出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，隧洞圍巖均向洞內(nèi)方向發(fā)生位移， 巖體與隧洞距離越大出現(xiàn)的位移越小。 在X 方向最大位移出現(xiàn)在隧洞左側(cè)圍巖處， 位移值1.102 cm，隧洞右側(cè)圍巖發(fā)生的位移大小比左側(cè)略小。在Y 方向，隧洞頂部圍巖出現(xiàn)沉降， 沉降量1.738 cm，隧洞底部出現(xiàn)隆起，隆起值1.56 cm，上部圍巖的位移值略大于下部位移。

圖4 開(kāi)挖后圍巖X 向位移云圖

圖5 開(kāi)挖后圍巖Y 向位移云圖

為分析襯砌作用， 同時(shí)模擬隧洞在支護(hù)完成后圍巖的位移變化情況 （如圖6和圖7）。 加完支護(hù)后可發(fā)現(xiàn)，隧洞圍巖在X 方向和Y 方向的位移均發(fā)生減小，在X方向最大位移由原來(lái)的1.102 cm減小為0.634 cm，Y 方向最大位移由原來(lái)的1.738cm減小到0.941 cm，減小幅度分別為42.47%和45.86%。支護(hù)效果較為明顯。

圖6 支護(hù)后圍巖X 向位移云圖

圖7 支護(hù)后圍巖Y 向位移云圖

4.3 圍巖應(yīng)力分析

在隧洞開(kāi)挖完成后， 圍巖第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的分布情況直接關(guān)系到隧洞圍巖的穩(wěn)定性，因此， 對(duì)該輸水工程出水口隧洞圍巖的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。 隧洞圍巖較大的第一主應(yīng)力呈“梅花狀”分布在隧洞四周（如圖8），最大的第一主應(yīng)力分布在洞底和洞側(cè)壁夾角處， 最大值162.137 kPa，因此在采取支護(hù)措施時(shí)，該位置需格外注意。

圖8 開(kāi)挖后圍巖第一主應(yīng)力分布云圖

隧洞出水口圍巖最大第三主應(yīng)力主要分布在隧洞底部（如圖9），呈圓弧狀分布，越往下第三主應(yīng)力越小。隧洞4 個(gè)角的第三主應(yīng)力較小，在工程實(shí)施中要注意隧洞底部的隆起狀況。

圖9 開(kāi)挖后第三主應(yīng)力分布云圖

根據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)果， 在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)時(shí)，著重對(duì)洞頂、洞底及洞底和側(cè)壁夾角處的位置進(jìn)行錨固措施，保證其后期運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性。通過(guò)運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)測(cè)也發(fā)現(xiàn)， 隧洞出水口圍巖的穩(wěn)定性較好，表明支護(hù)效果顯著。支護(hù)完成隧洞如圖10。

圖10 支護(hù)后出水口隧洞

5 結(jié)語(yǔ)

（1）該工程隧洞在開(kāi)挖完成后，圍巖向洞內(nèi)方向發(fā)生卸荷回彈，在洞頂?shù)某两抵岛投吹椎穆∑鹬灯毡榇笥诙磦?cè)壁的位移值。Y 方向最大位移值為1.738 cm，X 方向最大位移值為1.102 cm。

（2）在加完襯砌支護(hù)之后，隧洞圍巖的位移值均發(fā)生減小。X 方向和Y 方向的位移減小幅度分別為42.47%和45.86%。支護(hù)后的圍巖更加穩(wěn)定。

（3）隧洞圍巖最大的第一主應(yīng)力分布在洞底和洞側(cè)壁夾角處，最大值為162.137 kPa，圍巖最大第三主應(yīng)力分布主要分布在洞底，在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，洞底和夾角處的支護(hù)應(yīng)更加注意。