某輸水工程Ⅴ類(lèi)圍巖馬蹄形隧洞有限元分析

樊一平

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在水利、交通、礦業(yè)等行業(yè)工程建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)挖隧洞的情況，以達(dá)到縮短工程建設(shè)長(zhǎng)度，節(jié)約工程投資，保障工程使用安全等目的。蘇志生等[1]結(jié)合大伙房水庫(kù)建設(shè)工程，分析了輸水隧洞裂縫形成的原因，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的滲水情況，并提出了防御措施；齊凱[2]采用FLAC3D 數(shù)值模擬方法，研究了深埋高壓隧洞穩(wěn)定性情況，認(rèn)為埋深超過(guò)200 m 的隧洞需要采取加強(qiáng)支護(hù)措施；寧川[3]采用ABAQUS 軟件，分析流固耦合機(jī)制下深埋隧洞的滲流情況，認(rèn)為堵、排水效果與隧洞內(nèi)外水壓力關(guān)系密切；劉嶺楠等[4]結(jié)合大前石嶺隧道工程對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道爆破開(kāi)挖提出了施工建議，保證了隧道建設(shè)的正常進(jìn)行；杜立強(qiáng)等[5]、張宇等[6]、蔣吉芳等[7]分別對(duì)烏東德水電站泄洪洞、左岸引水、引水隧洞施工過(guò)程中的混凝土溫度控制、施工質(zhì)量控制以及鋼襯混凝土施工方法進(jìn)行研究，在實(shí)際工程建設(shè)中取得了不菲的成績(jī)；劉志明[8]對(duì)錨桿加固穿越斷層引水隧洞加固效果進(jìn)行分析，結(jié)果表明：加固后隧洞圍巖變形控制效果較好。根據(jù)前人研究成果可知，在隧洞穩(wěn)定性分析中常用的方法包括：數(shù)值模擬[9～10]、預(yù)測(cè)分析[11～12]等，不同方法均取得了較為顯著的成果。結(jié)合新疆某段輸水隧洞情況，采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧洞支護(hù)成果進(jìn)行分析。

1 工程概況

本工程輸水工程全長(zhǎng)為148 km，隧洞部分長(zhǎng)度為140 km。引水隧洞采用無(wú)壓隧洞方式向下游運(yùn)輸水源。引水隧洞開(kāi)挖方式為鉆爆施工和TBM施工。鉆爆施工段引水隧洞過(guò)水?dāng)嗝鏋轳R蹄形，洞徑7.5 m，設(shè)計(jì)輸水流量65 m3/s。

2 隧洞地質(zhì)情況及支護(hù)措施

2.1 基本地質(zhì)情況

引水隧洞全長(zhǎng)為140 km，穿越多個(gè)地層，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況，隧洞穿越的主要巖性包括：石英片巖、花崗片麻巖以及黑云母片麻巖等。從巖性方面看，完整的巖體具有較高的強(qiáng)度，但是，由于引水隧洞所在地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈，在強(qiáng)烈的地質(zhì)活動(dòng)影響下部分隧洞圍巖強(qiáng)度較低，巖體內(nèi)發(fā)育有較多的結(jié)構(gòu)面，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，對(duì)引水隧洞的穩(wěn)定性具有不利的影響，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，劃分圍巖類(lèi)型為Ⅴ類(lèi)，針對(duì)這種情況，選取斷層破碎帶附近的不利斷面，建立數(shù)值模擬模型分析擬采用的支護(hù)措施的合理性。

2.2 引水隧洞支護(hù)措施

本工程馬蹄形引水隧洞過(guò)水?dāng)嗝娌捎肦2=2R1的標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形斷面，支護(hù)方式為一次支護(hù)（噴護(hù)混凝土）+二次襯砌的組合襯砌形式。斷層破碎帶附近Ⅴ類(lèi)圍巖引水隧洞段開(kāi)挖洞徑為8.9 m，此處預(yù)留變形量為5 cm，一次支護(hù)措施為厚度20 cm 的C30 掛網(wǎng)噴護(hù)混凝土，同時(shí)架立HW150 型鋼拱架，邊、頂拱打設(shè)3.5 m 長(zhǎng)φ25 砂漿錨桿，錨桿間距為2.0 m，二次襯砌采用厚度為45 cm 的C35 鋼筋混凝土。Ⅴ類(lèi)圍巖斷層帶引水隧洞斷面（不利斷面）襯砌結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 Ⅴ類(lèi)圍巖隧洞結(jié)構(gòu)斷面圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型建立

噴護(hù)混凝土及二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性介質(zhì)以二維實(shí)體單元模擬，圍巖假設(shè)為彈塑性材料，采用摩爾- 庫(kù)倫準(zhǔn)則模擬其屈服狀態(tài)，鋼拱架采用彈性介質(zhì)以梁?jiǎn)卧M，錨桿采用彈性介質(zhì)以桿單元模擬。

左右垂直邊界采用水平向約束，底部邊界采用水平及垂直向約束。數(shù)值模擬計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型圖

3.2 計(jì)算斷面及參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，引水隧洞沿線受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響較大，存在有斷裂破碎帶，對(duì)引水隧洞的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的威脅。為了保證支護(hù)結(jié)構(gòu)在整個(gè)引水隧洞的使用中能保證安全，綜合考慮使用最不利的斷面作為計(jì)算斷面，該斷面的基本信息見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算斷面信息

數(shù)值模擬圍巖計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。噴護(hù)混凝土及二次襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的計(jì)算參數(shù)按照規(guī)范要求的混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選取，錨桿及拱架計(jì)算參數(shù)按照鋼進(jìn)行選取?；炷?、錨桿、拱架計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 圍巖數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

表3 支護(hù)措施計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算成果及分析

有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3（a）可知，引水隧洞最大位移變形量為0.44 cm，最大位移發(fā)生于隧洞拱頂部位，邊拱、頂拱位置屬于圍巖變形較大區(qū)域，但整體變形滿(mǎn)足預(yù)留的5 cm 變形量，計(jì)算結(jié)果表明預(yù)留變形量選取值較為合理，可以保證隧洞的整體穩(wěn)定性；噴護(hù)混凝土應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3（b），從圖中可知：噴射混凝土后最大壓應(yīng)力位于邊拱處，數(shù)值為2.92 MPa，該值小于所選取的C30 混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，噴射混凝土層未出現(xiàn)拉應(yīng)力，噴射混凝土層不會(huì)出現(xiàn)裂縫；拱架應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3（c），從圖中可知拱架采用三級(jí)鋼筋材料，其最大應(yīng)力值為20.63 MPa，該值不大于三級(jí)鋼筋允許抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，拱架穩(wěn)定性較高；二次襯砌應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3（d），從圖中可知二次襯砌結(jié)構(gòu)采用C35 混凝土，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力位于拱腳處，最大值為5.97 MPa，小于規(guī)范所規(guī)定的C35 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，二次襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

綜上可以得出，該工程馬蹄形隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖斷層帶洞段所選取的預(yù)留變形量和支護(hù)襯砌措施是合適的。由于斷層破碎帶附近引水隧洞圍巖物理性質(zhì)較差，在鉆爆施工擾動(dòng)影響下，極有可能出現(xiàn)小規(guī)模的破壞，對(duì)施工人員安全產(chǎn)生威脅。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的超前支護(hù)措施，以保證施工人員的安全和工程建設(shè)的進(jìn)度。

圖3 有限元計(jì)算結(jié)果云圖

4 結(jié)論

輸水工程引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)保證工程運(yùn)行具有重要意義。結(jié)合新疆某輸水工程引水隧洞調(diào)查成果，選擇位于構(gòu)造活動(dòng)帶附近的最不利斷面作為計(jì)算斷面，使用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)馬蹄形隧洞Ⅴ類(lèi)圍巖洞段預(yù)留變形量和襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)成果進(jìn)行分析。通過(guò)分析應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果可知，最大變形量為0.44 cm，位于拱頂部位，小于預(yù)留5 cm 變形量，滿(mǎn)足要求，且噴護(hù)混凝土、拱架、二次襯砌結(jié)構(gòu)均為出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓應(yīng)力亦在允許范圍內(nèi)，為保護(hù)施工過(guò)程中人員的安全，應(yīng)當(dāng)在斷層破碎帶附近采用相應(yīng)的超前支護(hù)措施。