隧洞軟巖高外水洞段支護結構穩(wěn)定應力分析

丁佳峰 孫其臣 何曉萌

隧洞軟巖高外水洞段支護結構穩(wěn)定應力分析

丁佳峰 孫其臣 何曉萌

采用ANSYS和PHASE2相結合的方法對隧洞軟巖高外水洞段進行有限元計算，包括滲流計算和支護結構穩(wěn)定應力分析。利用了ANSYS軟件中三維考慮排水管排水效果的滲流場計算的優(yōu)勢，又結合了PHASE2程序?qū)λ矶撮_挖計算的專業(yè)性，使存在外水軟巖洞段支護結構穩(wěn)定計算更簡便，結果安全可靠，可為高外水隧洞考慮排水效果支護的設計和施工提供參考。

ANSYS PHASE2 支護 穩(wěn)定

地下隧洞由于施工開挖卸載、地應力釋放和地下水的影響，將產(chǎn)生應力重分布和滲流重分布，從而危及圍巖的穩(wěn)定性。地下巖體的穩(wěn)定分析一直是工程地質(zhì)和巖體力學非常重要的研究課題。支護結構對隧洞圍巖穩(wěn)定性起著非常重要的作用，故保證支護結構的穩(wěn)定性是確保圍巖穩(wěn)定的主要因素。本文中采用ANSYS軟件模擬滲流場，用“空氣單元法”模擬排水管，即在正常作用下的排水孔實際是一個充滿空氣的中空的柱狀體，也可以把它看作是比一般滲流介質(zhì)的滲透性大得多的特殊介質(zhì)。這樣，就可以用一定的滲透系數(shù)來表征排水孔的“滲透性能”，并按照其它實體單元的計算方法，對它進行滲流計算。采用國際通用的巖土專業(yè)有限元計算程序PHASE2分析計算支護結構，模擬出隧洞在施工過程和運行過程中圍巖變形和支護結構變形規(guī)律，為圍巖和結構穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。

1 工程實例

某施工支洞主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，泥巖、砂質(zhì)泥巖埋深291 m，水頭170 m。該段為馬蹄形斷面，開挖直徑為6.7 m。一次支護為180°超前管棚支護，長3 m、間排距1 m×1 m、直徑25 mm的錨桿，榀距0.5 m的U36型可伸縮剛拱架，20 cm厚C30噴混凝土；二次支護為50 cm厚C30鋼筋混凝土。假定模型沿洞軸線方向為z方向，順水流向為正方向；鉛垂方向為y方向，鉛垂向上為正方向。為避免周邊約束對隧洞計算結果的影響，隧洞四周分別取5倍的洞徑，四面約束。巖體采用Mohr-Coulomb模型，計算參數(shù)見表1。初步確定鋼拱架可調(diào)節(jié)長度為0.6 m，洞周半徑為3.35 m，則一次襯砌的gap=0.6/(2×3.14×3.35)×100%=2.85%。

表1 材料參數(shù)表

1.1 滲流計算分析結果

隧洞二次襯砌+排水孔的單元示意圖見圖1所示；給定水頭邊界條件，埋深291 m、水頭170 m時，計算出的滲流場壓力計算結果見圖2所示。

圖1 二次襯砌和排水管單元圖

1.2 一次支護分析結果

一次襯砌在地應力釋放后的一次襯砌和錨桿屈服情況，洞室底部中心位置處內(nèi)力及洞室塑性區(qū)最大深度位移計算結果見表2。當?shù)貞︶尫?0%之后上一次支護，且一次襯砌的gap(1)=2%，則地應力釋放75%時一次襯砌gap閉合，此時僅有12.5%的一次襯砌單元屈服，隨著地應力釋放至90%時，一次襯砌所承擔的軸力數(shù)值達到峰值，此時73.8%一次襯砌混凝土單元屈服。當?shù)貞︶尫?0%時，83.8%的錨桿單元已經(jīng)屈服；當?shù)貞︶尫?0%時，100%的錨桿單元屈服。

表2 一次襯砌和錨桿屈服情況、洞室底部內(nèi)力及洞室塑性區(qū)最大深度

圖2 埋深291 m、外水頭為170 m時排水后二次襯砌滲流壓力計算結果圖(單位：m)

1.3 二次支護分析

二次襯砌承擔5%地應力+外水壓力+膨脹壓力得到的內(nèi)力及應力計算結果見表3；二次襯砌承擔5%地應力+外水壓力+膨脹壓力配筋及裂縫計算結果見表4。配筋、裂縫寬度均滿足要求。

表3 二次襯砌承擔5%地應力+外水+膨脹壓力內(nèi)力/

注：埋深291 m外水頭170 m

表4 二次襯砌承擔5%地應力+外水+膨脹壓力配筋及裂縫計算結果表

注：埋深291 m外水頭170 m。

2 結 語

傳統(tǒng)的隧洞襯砌外水壓力計算法采用地下水折減的方法，只是根據(jù)規(guī)范規(guī)定的一個折減系數(shù)乘以地下水位，而實際情況整個排水管組成系統(tǒng)產(chǎn)生滲流場體力，得到二次襯砌的外水壓力與排水孔的布置、孔徑及圍巖和襯砌的相對滲流系數(shù)有關，是一個三維滲流場問題。本文用ANSYS軟件中三維有限元方法，采用“空氣單元法”模擬排水管滲流場計算結果來確定排水的效果，從而確定二次支護的外水壓力，有效而精確。在得到排水后的外水壓力后，計算支護結構穩(wěn)定采用了巖土專業(yè)有限元專業(yè)軟件PHASE2來模擬隧洞開挖、一次支護和二次支護的整個施工過程。這種ANSYS和PHASE2相結合的方法可作為隧洞有外水洞段支護結構穩(wěn)定設計和施工是可行的。

[1] 王連廣，劉洋.引水隧洞三維滲流場分析研究〔J〕.水利規(guī)劃與設計，2014 (4):52-54.

[2] 劉昌軍，王小衛(wèi)，徐甲存，等. 文登抽水蓄能電站地下洞室群復雜滲流場的數(shù)值模擬分析〔J〕.長江科學院院報，2013,30(4)：73-77.

[3] 楊勇，劉正樹.溪洛渡水電站左岸泄洪洞無壓段開挖支護施工數(shù)值模擬與監(jiān)測分析〔J〕.四川水利發(fā)電，2009,28(5)：93-96.

[4] 張二海.PHASE2在地鐵區(qū)間隧道泵房施工中的應用〔J〕.地質(zhì)裝備，2010(6)：39-42.

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1007-6980(2017)02-0001-02

2017-03-13)

丁佳峰 女 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

孫其臣 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

何曉萌 女 助理工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222