鄂北水資源配置工程2016年11標(biāo)鳳凰寨隧洞穿越斷層帶洞段洞室穩(wěn)定分析

楊凡 李萍 常峻 武振

1 概述

1.1 工程概況

鳳凰寨隧洞為2016年第11標(biāo)段是鄂北地區(qū)水資源配置工程中的一段關(guān)鍵性工程，設(shè)計輸水流量7.4m3/s，建筑物級別為3級，隧洞長10.13km，是無壓輸水。

隧洞進口位于廣水市王家灣村以北100m，出口位于廣水市郝店鎮(zhèn)西北側(cè)約460m，線路走向總體從西北向東南，沿線地面高程118.5～344m，相對高差220m左右，為低山丘陵地形。工程區(qū)屬秦嶺褶皺系一級構(gòu)造單元。隧洞位于北大巴山—隨縣加里東褶皺帶（二級）隨縣—會寨復(fù)背斜（三級）關(guān)廟倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜（四級）關(guān)廟倒轉(zhuǎn)背斜北翼，洞身沿線穿越F19、F20、F22、F23和F10共5處斷層，相應(yīng)最大埋深分別為70、100、100、50、65m。

1.2 鳳凰寨隧洞設(shè)計

隧洞設(shè)計為城門洞形斷面，過水?dāng)嗝鎯魧?.5m，凈高4.14m，隧洞過斷層帶位置開挖外輪廓寬4.6m，高5.19 m。隧洞頂拱及側(cè)墻掛網(wǎng)噴C25混凝土，厚15cm，鋼筋網(wǎng)Φ8@15cm×15cm；頂拱及側(cè)墻設(shè)Φ22mm系統(tǒng)錨桿，長2.5m，間排距1m；頂拱及側(cè)墻底角設(shè)Φ22mm鎖角錨桿，長3.5m，排距75cm；頂拱及側(cè)墻設(shè)工12型鋼拱架，榀距75cm；頂拱120°范圍設(shè)超前小導(dǎo)管注漿，長4m外傾角10°，環(huán)向間距0.4m，排距2m。全斷面澆注鋼筋混凝土襯砌，厚40cm。

2 計算理論及方法

2.1 計算程序

Phase2是加拿大Rocscience公司基于二維有限元原理開發(fā)的一款功能強大的巖土工程分析程序，其內(nèi)置多種形式錨桿（如端錨、全粘接錨桿、水漲式錨桿等）和支護結(jié)構(gòu)單元（如梁單元、噴混單元、鋼筋網(wǎng)單元、鋼拱架單元、鋼格柵拱架單元等），被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各類工程分析中，特別是地下開挖支護工程，有許多成功應(yīng)用的案例。本次選用Phase2計算程序進行鳳凰寨隧洞的穩(wěn)定計算分析。

2.2 圍巖允許變位

根據(jù)規(guī)范[1]，洞周允許相對收斂量見表1。

表1 隧洞、洞室周邊允許相對收斂值

3 計算輸入

3.1 計算模型

計算坐標(biāo)系：x軸為水平方向，與隧洞軸線方向垂直，指向右為正；y軸為豎直方向，向上為正。

計算模型范圍：在巖體中開挖隧洞時，地應(yīng)力二次分布的影響范圍有限，一般距洞室中心點3～5倍開挖寬度的范圍內(nèi)影響較大。本次計算在隧洞左、右方向沿洞開挖邊界往外延伸不小于5倍開挖寬度，上、下方向沿洞開挖邊界往外延伸不小于5倍開挖高度作為模型截取邊界。

邊界條件：有限元模型截取邊界為位移約束邊界，考慮模型四周邊界處受隧洞開挖支護的影響很小，幾乎可以忽略不計，故在模型四周邊界均采取約束水平向和豎直向位移的方式。

采用網(wǎng)格映射劃分技術(shù)建立隧洞穿斷層帶（V類圍巖）洞段典型斷面的二維有限元計算網(wǎng)格圖，計算中考慮了隧洞的開挖和支護的施工過程，擬定不同的施工步，其網(wǎng)格模型如圖1所示（為突出隧洞，圖中僅顯示隧洞及周邊網(wǎng)格）。

圖1 隧洞穿斷層帶洞段典型斷面有限元計算網(wǎng)格

3.2 計算荷載工況

本次有限元計算選擇隧洞沿線穿斷層帶洞段最大埋深斷面（穿F22斷層，最大埋深100m）進行計算分析，主要對隧洞一次支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行驗算，計算中，圍巖自重應(yīng)力、襯砌重度等荷載均采用標(biāo)準(zhǔn)值，然后驗算圍巖及支護結(jié)構(gòu)在外荷載作用下所受力是否超過其設(shè)計強度。

3.3 計算參數(shù)

本此計算采用圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。

4 計算結(jié)果分析

4.1 計算模擬過程

假定巖體是均質(zhì)、連續(xù)的，且所提力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確。通過設(shè)置不同的計算步來模擬隧洞的施工情況，具體模擬過程如下：

計算步1（施工步1）：隧洞開挖完成，圍巖部分應(yīng)力得以快速釋放，巖體向臨空面發(fā)生變位，應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，臨空面周邊圍巖出現(xiàn)屈服的可能。

表2 隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)表

計算步2（施工步2）：施加一次支護結(jié)構(gòu)，圍巖內(nèi)剩余應(yīng)力全部釋放或釋放絕大部分，一次支護結(jié)構(gòu)抵抗圍巖向臨空面的變位趨勢，從而自身產(chǎn)生內(nèi)力；此階段由于圍巖應(yīng)力的繼續(xù)釋放以及一次支護的抵抗作用，隧洞圍巖內(nèi)應(yīng)力發(fā)生再次調(diào)整，圍巖屈服區(qū)域伴隨應(yīng)力的調(diào)整發(fā)生變化。

計算中，參照類似工程計算經(jīng)驗，偏安全考慮，假定計算步1圍巖應(yīng)力釋放比例為75%，計算步2圍巖應(yīng)力完全釋放。

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 圍巖變位分析

計算得到計算步2（一次支護結(jié)構(gòu)完成）隧洞圍巖變位分布如圖2所示。圖中水平位移沿x軸正向為正，豎直位移沿y軸正向為正。

考慮到隧洞圍巖發(fā)生塑性屈服，洞周允許相對收斂值取表1中大值；隧洞開挖寬為4600mm，故側(cè)墻間允許最大相對變位為4600×1.6%=73.6mm；隧洞開挖高5190mm，故頂拱與底拱間允許最大相對變位為5190×1.6%=83mm。分析位移分布可知，一次支護完成，圍巖應(yīng)力完全釋放，側(cè)墻間相對變位為56mm，不超過允許值；頂拱與底拱間相對變位為35mm，不超過允許值，在上述計算假定下，隧洞圍巖變位滿足規(guī)范要求。

4.2.2 圍巖塑性區(qū)分析

分析不同施工階段圍巖塑性區(qū)范圍可知，隧洞開挖完成一次支護前，圍巖應(yīng)力釋放75%，洞周圍巖發(fā)生較大范圍塑性屈服；一次支護結(jié)構(gòu)完成，圍巖應(yīng)力釋放至100%，圍巖塑性區(qū)范圍基本沒有變化。計算結(jié)果表明，隧洞開挖后圍巖雖有較大范圍發(fā)生屈服，但在一次支護結(jié)構(gòu)作用下，圍巖應(yīng)力的進一步釋放并未加大塑性區(qū)的擴展范圍，圍巖塑性區(qū)發(fā)展受到限制。

圖2 一次支護結(jié)構(gòu)完成隧洞圍巖位移分布圖（單位：m）

4.2.3 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定分析

隧洞穿斷層帶洞段一次支護為掛網(wǎng)+鋼拱架+噴混凝土+系統(tǒng)錨桿，由于鋼筋網(wǎng)自身柔性等特性，其所受內(nèi)力很小，此處不予分析。

4.2.3.1 錨桿內(nèi)力分析

一次支護結(jié)構(gòu)完成，圍巖應(yīng)力完全釋放，錨桿軸力分布如圖3所示。

分析錨桿軸力分布圖可知，總體上越靠近臨空面錨桿軸力較大。側(cè)墻兩側(cè)局部錨桿單元發(fā)生屈服，其他部位錨桿單位軸力均不超過錨桿抗拉強度，總體上錨桿結(jié)構(gòu)是安全的。

圖3 一次支護結(jié)構(gòu)完成（計算步2）錨桿軸力分布圖（單位：kN）

4.2.3.2 鋼拱架內(nèi)力及穩(wěn)定分析

圖4 一次支護結(jié)構(gòu)完成（計算步2）鋼拱架內(nèi)力分布

一次支護結(jié)構(gòu)完成，圍巖應(yīng)力完全釋放，鋼拱架內(nèi)力分布如圖4所示。分析鋼拱架內(nèi)力分布，一次支護完成，圍巖應(yīng)力釋放至100%，鋼拱架軸力最大值約為167kN，出現(xiàn)在頂拱拱角；鋼拱架軸力最小值約為86kN，出現(xiàn)在頂拱中心；鋼拱架軸力由頂拱中心和側(cè)墻底部向頂拱拱角逐漸增大。鋼拱架所受彎矩整體較小，最大值約為9.2kN·m，外側(cè)受拉，出現(xiàn)在頂拱拱角。分析鋼拱架安全系數(shù)包絡(luò)圖，拱架結(jié)構(gòu)單元抗剪及抗彎矩安全系數(shù)均大于1，且基本大于1.6，滿足穩(wěn)定要求。

4.2.3.3 噴混內(nèi)力及穩(wěn)定分析

一次支護結(jié)構(gòu)完成，圍巖應(yīng)力完全釋放，噴混內(nèi)力分布如圖5所示。

圖5 一次支護結(jié)構(gòu)完成（計算步2）噴混內(nèi)力分布

分析噴混內(nèi)力分布，一次支護完成，圍巖應(yīng)力釋放至100%，噴混內(nèi)力分布趨勢及出現(xiàn)極值位置同鋼拱架，軸力最大值約為791kN，軸力最小值約為408kN；所受彎矩最大值約為33.9kN·m。分析噴混安全系數(shù)包絡(luò)圖，噴混結(jié)構(gòu)單元抗剪安全系數(shù)均大于1.6；除頂拱兩側(cè)拱角局部，噴混結(jié)構(gòu)單元抗彎矩安全系數(shù)均大于1.2，噴混結(jié)構(gòu)整體滿足穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語

基于平面有限元理論和典型斷面分析方法，采用國際通用巖土分析程序phase2對鳳凰寨隧洞穿越斷層帶洞段一次支護結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)定復(fù)核分析。結(jié)果表明，假定巖體是均質(zhì)、連續(xù)的，所提力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確，隧洞開挖完成圍巖應(yīng)力釋放比例為75%，隧洞一次支護完成圍巖應(yīng)力完全釋放，在設(shè)計支護結(jié)構(gòu)條件下，隧洞位移滿足規(guī)范要求，一次支護結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。