水工隧洞圍巖變形與應(yīng)力數(shù)值模擬分析

王屹久

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

對(duì)于水工隧洞的研究，圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要工作，圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響著水工隧洞施工的安全性與后期的正常使用性能，圍巖的穩(wěn)定性主要影響因素為圍巖的應(yīng)力與變形。

目前已經(jīng)有大量的專家學(xué)者基于應(yīng)力與變形對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，張子新等[1]采用塊體理論赤平解析法判斷某洞室結(jié)構(gòu)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并依據(jù)該實(shí)際工程提出了較為可靠的加固方案；張玉軍等[2]采用三維有限元程序的模型分析了某圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并結(jié)合相關(guān)計(jì)算參數(shù)測(cè)算了圍巖結(jié)構(gòu)的流變性能；吳世勇等[3]利用彈塑性有限元法分析了某水工隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與變形狀況；姜弘道等[4]采用邊界元靜動(dòng)力分析法分析了某水利隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得到了邊界元法在計(jì)算圍巖穩(wěn)定性方面的有效應(yīng)用；徐干成[5]將粘彈性邊界元理論與水工隧洞圍巖穩(wěn)定性相結(jié)合，分析了錨噴支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響；楊典森等[6]利用有限差分法分析了某地下洞室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性。趙成龍等[7]將非連續(xù)變形分析法應(yīng)用于過程中，分析洞室結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力與變形狀況，進(jìn)而判斷出圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；姚池等[8]以某水工隧洞結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用剛體彈簧法分析了裂隙分布區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

基于前人的研究基礎(chǔ)，本研究對(duì)某水利工程的水工隧洞建立FLAC 3D數(shù)值分析模型，分析支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖變形與應(yīng)力的影響。

1 工程概況

本研究基于某水利工程的水工隧洞為研究對(duì)象，分析噴射混凝土支護(hù)參數(shù)、錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。該水工隧洞總長(zhǎng)553m，橫斷面布置形式為洞型水工隧洞，橫斷面尺寸為長(zhǎng)4.0m、高5.80m，水工隧洞周圍襯砌結(jié)構(gòu)的厚度為40.0cm，洞體結(jié)構(gòu)沿縱向的縱坡為1/3500，圍巖結(jié)構(gòu)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。圍巖頂部地質(zhì)狀況較好，從地表到水工隧洞的圍巖分布依次為：Ⅴ類圍巖(峰峰組下段第一巖組、二疊系石炭系中統(tǒng)本溪組、二疊系石炭太原組)、Ⅳ類圍巖(奧陶系中統(tǒng)上馬家溝中段、峰峰組下段第三巖組、二疊系石炭系中統(tǒng)本溪組、二疊系石炭太原組)、Ⅲ類圍巖(奧陶系中統(tǒng)上馬家溝中段、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝上段、峰峰組下段第二巖組)?？傮w圍巖結(jié)構(gòu)為單斜構(gòu)造類巖體，巖體無長(zhǎng)大斷裂巖層。

2 建立模型

對(duì)該水利工程的水工隧洞建立FLAC 3D數(shù)值分析模型，模型的橫斷面尺寸為長(zhǎng)4.0m、高5.80m，洞體兩側(cè)采用直墻結(jié)構(gòu)，頂部為半圓拱型結(jié)構(gòu)，襯砌結(jié)構(gòu)厚度為40.0cm，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)資料可得，水工隧洞的開挖過程應(yīng)力的影響范圍為3～5倍的洞徑范圍，因而，模型的橫斷面面方向長(zhǎng)與高均取該方向上隧洞尺寸的5倍范圍作為模型的邊界范圍。該模型共劃分為37652個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，共計(jì)有42008個(gè)單元，模型采用摩爾-庫倫理論模型，模型的邊界條件為：模型的左右兩側(cè)施加水平位移約束；模型的底部施加水平和豎向位移約束；模型的頂部為自由位移約束。建立的模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

3 支護(hù)參數(shù)對(duì)水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響分析

3.1 噴射混凝土支護(hù)參數(shù)的影響分析

3.1.1噴射混凝土厚度的影響

取噴射混凝土厚度分別為5、10、15、20、25cm，其它支護(hù)參數(shù)不變，計(jì)算水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)的變形及塑性區(qū)分布特征。

(1)圍巖變形分析。工隧洞結(jié)構(gòu)的拱頂及兩側(cè)側(cè)墻位移變形與噴射混凝土厚度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 噴射混凝土厚度-圍巖位移變化規(guī)律

由圖2可知，當(dāng)噴射混凝土厚度逐漸增大時(shí)，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移和兩側(cè)側(cè)墻水平位移均逐漸減小。對(duì)于噴射混凝土厚度與圍巖拱頂位移的關(guān)系，當(dāng)噴射混凝土厚度由50.0mm增大到250.0mm時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移分別減小1.10、0.70、0.60、0.40mm，每增加50mm噴射混凝土厚度，隨著噴射混凝土厚度增大，拱頂?shù)呢Q向位移減小量逐漸減小；對(duì)于噴射混凝土厚度與圍巖兩側(cè)側(cè)墻水平位移的關(guān)系，當(dāng)噴射混凝土厚度由50.0mm增大到250.0mm時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移分別減小0.1、0.15、1.20、1.50mm，每增加50mm噴射混凝土厚度，隨著噴射混凝土厚度增大，兩側(cè)側(cè)墻水平位移減小量逐漸增大。因而對(duì)于增加噴射混凝土厚度時(shí)，對(duì)于兩側(cè)側(cè)墻水平位移的限制作用逐漸加強(qiáng)，而對(duì)于拱頂?shù)呢Q向位移的限制作用逐漸減弱，實(shí)際工程中，需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性因素確定噴射混凝土厚度。

(2)塑性區(qū)分布規(guī)律的影響。水工隧洞結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)面積與噴射混凝土厚度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 噴射混凝土厚度-塑性區(qū)面積變化規(guī)律

由圖3可知，當(dāng)噴射混凝土厚度逐漸增大時(shí)，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)面積逐漸減小，當(dāng)噴射混凝土厚度由50.0mm增大到250.0mm時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)面積分別減小4.79、2.61、1.78、1.20m2，每增加50mm噴射混凝土厚度，隨著噴射混凝土厚度增大，塑性區(qū)面積減小量逐漸減??；因而，增大噴射混凝土厚度對(duì)于減小塑性區(qū)面積作用效果有限。

3.1.2噴射混凝土強(qiáng)度的影響

取噴射混凝土強(qiáng)度分別為C10、C15、C20、C25、C30，其余支護(hù)參數(shù)不變，計(jì)算水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)的變形及塑性區(qū)分布特征。

(1)圍巖變形分析。水工隧洞結(jié)構(gòu)的拱頂及兩側(cè)側(cè)墻位移變形與噴射混凝土強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 噴射混凝土強(qiáng)度-圍巖位移變化規(guī)律

隨著混凝土強(qiáng)度的增大，圍巖結(jié)構(gòu)的拱頂豎向位移和側(cè)墻的水平位移均逐漸減小，但混凝土強(qiáng)度從C10～C30，位移減小量較小，均小于5%，因而，混凝土強(qiáng)度的增加對(duì)于減小圍巖結(jié)構(gòu)的位移作用較小，增大混凝土標(biāo)號(hào)經(jīng)濟(jì)性較低。

(2)塑性區(qū)分布規(guī)律的影響。水工隧洞結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)面積與噴射混凝土強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 噴射混凝土強(qiáng)度-塑性區(qū)面積變化規(guī)律

由圖5可知，隨著噴射混凝土強(qiáng)度逐漸不斷增大，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)面積呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在混凝土強(qiáng)度為C20時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)面積最小，分析這種變化的原因，主要是由于當(dāng)混凝土強(qiáng)度不斷增大時(shí)，作為柔性支撐結(jié)構(gòu)的噴射混凝土支撐效果一定程度上逐漸增強(qiáng)，塑性區(qū)面積減小，當(dāng)混凝土強(qiáng)度大于一定限值(C20混凝土)后，當(dāng)混凝土強(qiáng)度增大時(shí)，作為柔性支撐的噴射混凝土硬度變大，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)較大面積的應(yīng)力集中，塑性區(qū)面積增大。因而，混凝土強(qiáng)度增大一定程度上可以減小塑性區(qū)面積，但當(dāng)混凝土標(biāo)號(hào)超過C20時(shí)，塑性區(qū)面積反而增大。

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)的影響分析

取支護(hù)錨桿長(zhǎng)度分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m，其余支護(hù)參數(shù)不變，計(jì)算水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)的變形及塑性區(qū)分布特征。

3.2.1圍巖變形分析

水工隧洞結(jié)構(gòu)的拱頂及兩側(cè)側(cè)墻位移變形與支護(hù)錨桿長(zhǎng)度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 支護(hù)錨桿長(zhǎng)度-圍巖位移變化規(guī)律

由圖6可知，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度增大時(shí)，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移和兩側(cè)側(cè)墻水平位移均逐漸減小。對(duì)于拱頂?shù)呢Q向位移，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度從1.0m增大到3.0m時(shí)，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移減小幅度較小，變化不明顯；對(duì)于兩側(cè)側(cè)墻水平位移，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度從1.0m增大到2.0m時(shí)，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)兩側(cè)側(cè)墻水平位移變化較小，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度從2.0m增大到3.0m時(shí)，水平位移值下降幅度較大。因而，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度增大時(shí)，對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的拱頂豎向位移影響較??；對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)的兩側(cè)側(cè)墻水平位移，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度大于2m時(shí)，對(duì)于降低側(cè)墻水平位移作用明顯。

3.2.2塑性區(qū)分布規(guī)律的影響

水工隧洞結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)面積與支護(hù)錨桿長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 支護(hù)錨桿長(zhǎng)度-塑性區(qū)面積變化規(guī)律

由圖7可知，隨著支護(hù)錨桿長(zhǎng)度逐漸不斷增大，水工隧洞圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)面積逐漸減小，對(duì)于支護(hù)錨桿長(zhǎng)度從1.0m增大到2.5m時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)塑性區(qū)面積降低量較大，而支護(hù)錨桿長(zhǎng)度從2.5m增大到3.0m時(shí)，降低塑性區(qū)面積的效果較為不明顯。

4 結(jié)論

本研究對(duì)某水利工程的水工隧洞建立FLAC 3D數(shù)值分析模型，分析噴射混凝土支護(hù)參數(shù)、錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1)增大噴射混凝土厚度，兩側(cè)側(cè)墻水平位移和拱頂?shù)呢Q向位移的限制作用效果較為明顯，而對(duì)于減小塑性區(qū)面積作用效果有限。

(2)增大噴射混凝土強(qiáng)度，減小圍巖結(jié)構(gòu)的位移作用較小，經(jīng)濟(jì)性較低；混凝土強(qiáng)度增大一定程度上可以減小塑性區(qū)面積，但當(dāng)混凝土標(biāo)號(hào)超過C20時(shí)，塑性區(qū)面積反而增大。

(3)增大支護(hù)錨桿長(zhǎng)度，對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的拱頂豎向位移影響較小，當(dāng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度大于2m時(shí)，對(duì)于降低側(cè)墻水平位移作用明顯。