水工隧洞圍巖應(yīng)力場數(shù)值模擬與分析

王學(xué)洲，劉 濤

(1.安丘市水利建筑安裝公司，山東 安丘 262100；2.濟(jì)南市水政監(jiān)察支隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014)

長期以來水工隧洞圍巖的應(yīng)力場問題一直是水工領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)。譚忠盛等[1]依托實(shí)際工程對隧洞圍巖在水壓力下的應(yīng)力場分布規(guī)律進(jìn)行了分析研究；陳力華等[2]提出了一種新的適用于計(jì)算隧洞圍巖安全系數(shù)的強(qiáng)度折減方法，并對該方法在隧洞圍巖穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用做出了假設(shè)；鄭穎人等[3]基于有限元的強(qiáng)度折減法對隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并通過實(shí)例進(jìn)行探究驗(yàn)證；楊峰等[4]對超載作用下的隧洞圍巖穩(wěn)定性以及應(yīng)力場分布規(guī)律進(jìn)行了有限元模擬分析，并得到了較高精度的運(yùn)動破壞模塊；韓凱航等[5]結(jié)合前人的工作，提出了三種有關(guān)隧洞圍巖的變形模式以及兩種機(jī)制，并通過工程實(shí)際驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性與工程適用性；凌同華等[6]通過使用FLAC3D軟件對隧洞開挖過程進(jìn)行建模分析，優(yōu)化了塊體支護(hù)的參數(shù)；王芝銀等[7]通過建立應(yīng)力場與滲流場的雙重耦合有限元模型，對隧洞圍巖巖體在耦合作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析；康勇等[8]、李立平等[9]采用RFPA2D軟件對隧洞圍巖在開挖時由于應(yīng)力重分布而產(chǎn)生的損傷破壞模式進(jìn)行了模擬分析，并提出了損傷模型。

文章通過使用ADINA軟件建立二維數(shù)值模擬，分析了隧洞圍巖的應(yīng)力場變化規(guī)律，并針對不同地下水位與不同厚度的注漿圈對隧洞圍巖應(yīng)力場變化規(guī)律的影響進(jìn)行了研究。

1 工程概況

文章選取某引水工程隧洞對水工隧洞的圍巖應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。該工程地形復(fù)雜，巖性也較為復(fù)雜，隧洞總長超過6km，斷面為圓形，半徑為5m，地表水系較發(fā)育，水量較大且隨季節(jié)變化，巖體較破碎，具有貫通性節(jié)理。

2 計(jì)算模型建立

隧洞圍巖在開挖之前，本身就存在一個由于長時間地質(zhì)運(yùn)動而形成的平衡的初始應(yīng)力場，其分布及數(shù)值與圍巖本身的巖性有關(guān)。而由于開挖之時的卸載作用，隧洞圍巖應(yīng)力會重新分布并形成二次應(yīng)力場。隧洞圍巖在開挖之后，隧洞得到支護(hù)后，巖體應(yīng)力會因?yàn)閲鷰r變形被約束而發(fā)生改變并達(dá)到最終的平衡從而形成三次應(yīng)力場。文章將對這三種應(yīng)力場進(jìn)行了分析。

文章采用ADINA軟件對工程進(jìn)行模擬分析，為排除邊界效應(yīng)，考慮計(jì)算范圍為隧洞開挖洞徑的四倍，以隧洞中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，模型尺寸為邊長85m的正方形。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值分析參數(shù)表

3 應(yīng)力場分析

3.1 隧洞開挖前后及注漿后應(yīng)力場分析

3.1.1水平和垂直的應(yīng)力

隧洞開挖之時，圍巖邊界條件隨著圍巖開挖的卸載作用而改變并發(fā)生應(yīng)力重分布，而在開挖、支護(hù)完成后，圍巖的力學(xué)性質(zhì)也隨之改變，隧洞開挖前后及注漿后各階段的應(yīng)力分布如圖1—6所示。從圖中可以看出，其水平和垂直應(yīng)力分布情況為層狀分布，且向下遞增。隧洞圍巖的水平方向和垂直方向的應(yīng)力由于圍巖開挖時的卸載作用都減小了，還形成了低應(yīng)力區(qū)，水平方向的應(yīng)力減小最多的位置在邊墻處，開挖后的應(yīng)力降到了開挖前的16%，約為0.8MPa；而垂直方向的應(yīng)力減小最多的位置在隧洞圍巖頂部，開挖后的應(yīng)力降到了開挖前的14%，約為1.3MPa；且可以看出隧洞開挖僅對隧洞洞徑兩倍范圍內(nèi)的圍巖有較大影響，且影響隨著與隧洞的距離增加而減?。浑S著注漿支護(hù)的完成，隧洞圍巖兩個方向的應(yīng)力皆有所回升，可以看出隧洞開挖后，及時支護(hù)可以幫助增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性；且在注漿支護(hù)與圍巖的接觸部位以及隧洞左右兩側(cè)的圍巖處發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力集中，是危險部位，支護(hù)時需謹(jǐn)慎處理。

圖1 開挖前水平應(yīng)力(單位：Pa)

圖2 開挖前垂直應(yīng)力(單位：Pa)

圖3 開挖后水平應(yīng)力(單位：Pa)

圖4 開挖后垂直應(yīng)力(單位：Pa)

圖5 注漿后水平應(yīng)力(單位：Pa)

圖6 注漿后垂直應(yīng)力(單位：Pa)

3.1.2水平位移和垂直位移

隧洞開挖后和注漿支護(hù)完成后的應(yīng)力分布如圖7—10所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隧洞開挖時，在隧洞左側(cè)觀測到約21mm的最大水平位移，且方向指向隧洞內(nèi)部，在隧洞圍巖的左側(cè)拱腳處觀測到約9mm的最大沉降，在隧洞左側(cè)墻角觀測到約10mm的最大隆起；注漿支護(hù)完成后隧洞圍巖位移明顯減小，在隧洞的左下方觀測到約0.3mm的最大水平位移，在隧洞圍巖的拱頂處觀測到約2mm的最大沉降，在隧洞拱底處觀測到約1mm的最大隆起?？梢园l(fā)現(xiàn)注漿支護(hù)可以有效減小隧洞圍巖的變形量。

圖8 注漿后水平位移(單位：m)

圖9 開挖后垂直位移(單位：m)

3.2 不同地下水位下應(yīng)力場分析

為觀測不同地下水位引起的孔隙水壓力變化對隧洞圍巖應(yīng)力場的影響，文章設(shè)置了地下水位100m和150m進(jìn)行對比。

圖10 注漿后垂直位移(單位：m)

3.2.1水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力

不同地下水位下的應(yīng)力分布如圖11—14所示。可以發(fā)現(xiàn)，隧洞圍巖的應(yīng)力隨著地下水位的增大而增大，但地下水位的增加僅僅改變了應(yīng)力的數(shù)值，并沒有改變其分布規(guī)律。

圖11 地下水位為100m時水平應(yīng)力(單位：Pa)

3.2.2水平位移和垂直位移

不同水位下位移分布如圖15—18所示?？梢钥闯觯S著地下水位的增大，隧洞圍巖的位移增大，但也僅僅改變了水平位移和垂直位移的數(shù)值，并沒有改變其分布規(guī)律，水平位移最大值皆出現(xiàn)在隧洞左右兩側(cè)的圍巖處，但地下水位150m時的最大位移為地下水位100m時的1.92倍，達(dá)到了46.7mm；垂直位移最大值皆出現(xiàn)在了隧洞左側(cè)的圍巖拱腳處，但地下水位150m時的最大位移為地下水位100m時的1.85倍，達(dá)到了24mm。

圖12 地下水位為150m時水平應(yīng)力(單位：Pa)

圖13 地下水位為100m垂直應(yīng)力(單位：Pa)

圖14 地下水位為150m時垂直應(yīng)力(單位：Pa)

圖15 地下水位100m水平位移(單位：m)

圖16 地下水位150m水平位移(單位：m)

圖17 地下水位100m垂直位移(單位：m)

圖18 地下水位150m垂直位移(單位：m)

3.3 不同注漿圈厚度應(yīng)力場分析

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，注漿圈與隧洞圍巖的物理性質(zhì)相差較大，在圍巖內(nèi)進(jìn)行注漿支護(hù)也許會對圍巖的應(yīng)力場產(chǎn)生影響，為觀測不同注漿圈厚度對隧洞圍巖應(yīng)力場的影響，文章設(shè)置了注漿圈2m和5m進(jìn)行對比。

3.3.1水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力

注漿圈厚度分別為2m和5m時的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布如圖19—22所示?？梢钥闯?，隨著注漿圈厚度的增加，圍巖應(yīng)力的回升愈發(fā)明顯，水平方向和垂直方向的最大應(yīng)力均隨著注漿圈厚度的增加而降低，但無論注漿圈厚度是2m還是5m，在水平應(yīng)力分布圖和垂直應(yīng)力分布圖中皆觀測到了應(yīng)力集中現(xiàn)象，注漿圈厚度為2m時，水平應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在圍巖拱底位置；注漿圈厚度為5m時，水平應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在注漿支護(hù)與圍巖巖體的接觸部位；而垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象皆是出現(xiàn)在隧洞圍巖的左右兩側(cè)。當(dāng)注漿圈厚度為2m時，垂直方向最大應(yīng)力在隧洞右側(cè)邊墻處被觀測到，當(dāng)注漿圈厚度達(dá)到5m時，垂直方向最大應(yīng)力在隧洞左側(cè)邊墻處被觀測到，且注漿圈厚度為5m時的最大垂直應(yīng)力是注漿圈厚度為2m時的最大垂直應(yīng)力的73%，僅有4.3MPa。

圖19 注漿圈厚度2m時圍巖水平應(yīng)力(單位：Pa)

圖20 注漿圈厚度5m時圍巖水平應(yīng)力(單位：Pa)

圖21 注漿圈厚度2m時圍巖垂直應(yīng)力(單位：Pa)

3.3.2水平位移和垂直位移

注漿圈厚度分別為2m和5m時的水平位移和垂直位移分布如圖23—26所示?？梢钥闯?，隨著注漿圈厚度的增加，水平方向和垂直方向的最大位移均隨著注漿圈厚度的增加而降低，2m和5m注漿圈厚度時，水平位移最大值均出現(xiàn)在隧洞拱底圍巖右下側(cè)的注漿支護(hù)與圍巖接觸處，但5m注漿圈厚度時的最大水平位移是2m注漿圈厚度時最大水平位移的56%，僅有3.3mm。2m和5m注漿圈厚度時的最大沉降位置均出現(xiàn)在拱底，但5m注漿圈厚度時的最大垂直位移是2m注漿圈厚度時最大水平位移的58%，僅有2.1mm。2m和5m注漿圈厚度時的最大隆起位置均出現(xiàn)在拱底，但5m注漿圈厚度時的最大垂直位移是2m注漿圈厚度時最大水平位移的68%，僅有1.9mm。

圖22 注漿圈厚度5m時圍巖垂直應(yīng)力(單位：Pa)

圖24 注漿圈厚度5m時圍巖水平位移(單位：m)

圖25 注漿圈厚度2m時圍巖垂直位移(單位：m)

圖26 注漿圈厚度5m時圍巖垂直位移(單位：m)

4 結(jié)論

通過使用ADINA軟件建立二維數(shù)值模擬，分析了隧洞圍巖在開挖過程不同階段應(yīng)力場變化規(guī)律，并針對不同地下水位與不同厚度的注漿圈對隧洞圍巖應(yīng)力場變化規(guī)律的影響，得到以下結(jié)論：

(1)隧洞圍巖兩個方向的應(yīng)力由于圍巖開挖時的卸載作用都減小了，還形成了低應(yīng)力區(qū)，隧洞開挖僅對隧洞洞徑兩倍范圍內(nèi)的圍巖有較大影響，且影響隨著與隧洞的距離的增加而減小；

(2)隨著注漿支護(hù)的完成，隧洞圍巖兩個方向的應(yīng)力皆有所回升，及時支護(hù)可以幫助增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，且在注漿支護(hù)與圍巖的接觸部位以及隧洞左右兩側(cè)的圍巖處發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力集中，支護(hù)時需謹(jǐn)慎處理；

(3)隧洞圍巖的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、水平位移和垂直位移皆隨著地下水位的增大而增大，但地下水位的增加沒有改變應(yīng)力場和位移場的分布規(guī)律，僅僅改變了應(yīng)力和位移的數(shù)值；

(4)隨著注漿圈厚度的增加，圍巖應(yīng)力的回升愈發(fā)明顯，水平方向和垂直方向的最大應(yīng)力和最大位移均隨著注漿圈厚度的增加而降低，但應(yīng)力集中現(xiàn)象依舊存在。