白石引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段圍巖開挖支護(hù)穩(wěn)定性分析與工程建議

盛 亮

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 工程概況

白石輸水隧洞工程位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內(nèi)，隧洞(主洞)全長15690m。該隧洞施工條件差，圍巖破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，遇水變泥，極易出現(xiàn)坍塌滑層等現(xiàn)象。隧洞S22+106-S22+198Ⅳ級圍巖洞段采用的是等開挖斷面設(shè)計，開挖斷面設(shè)計為圓形平底，開挖洞徑為4.40m，底寬2.91m，初步支護(hù)方案為10cm掛網(wǎng)噴、錨桿和40cm鋼筋混凝土襯砌。其中，鋼筋網(wǎng)直徑為6.5mm，間距為200mm×200mm；φ22mm錨桿，長度設(shè)計為2.0m，入巖1.9m，間距1.0m，采用梅花形布置。隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度為C25，掛網(wǎng)噴混凝土為C20。擬在上述初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬的方式對圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化和方案論證，以便為隧洞開挖的最終設(shè)計提供有益借鑒。

2 計算模型與計算方案

2.1 計算模型

研究中利用Flac3D 軟件進(jìn)行Ⅳ類圍巖洞段三維有限元計算模型構(gòu)建[1]。模型的計算范圍為沿輸水隧洞軸線方向取3.0m，四周圍巖取開挖洞徑的9倍，為40m[2]。計算過程中圍巖巖體采用六面體8節(jié)點(diǎn)等參單元模擬，采用Mohr-Coulumb 屈服模型對圍巖的彈塑性變形特征進(jìn)行模擬。圍巖開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)中的噴層混凝土利用shell 單元模擬，采用各向同性線性材料模型[3]；錨桿采用彈性本構(gòu)模型，錨索單元進(jìn)行模擬。構(gòu)建的三維有限元整體模型包括81096個計算單元，87563個計算節(jié)點(diǎn)，其中包括3658個噴層混凝土單元和768個錨桿單元。整體模型見圖1。

模型以引水隧洞指向下游的方向?yàn)閅軸正方向，以與Y軸垂直指向右側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向，以隧洞中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。模型的底部和四周施加法向位移約束，頂部為自由邊界設(shè)計，隧洞頂部巖體的重量以均勻分布荷載的方式施加在模型的頂部。

圖1 整體計算模型示意圖

2.2 計算方案

針對Ⅳ類圍巖洞段的實(shí)際情況，根據(jù)隧洞的實(shí)際埋深與相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，按照有無噴錨支護(hù)設(shè)計出如表1所示的6中計算方案。

表1 計算方案設(shè)計表

3 計算結(jié)果與分析

3.1 圍巖開挖位移分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對不同方案下的圍巖開挖位移進(jìn)行模擬計算，獲得見圖2-圖7所示的隧洞開挖后合位移云圖。

在方案F11條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移。在引水隧洞開挖完畢之后，位移呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時上下兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為4.74mm，位置位于引水隧洞圍巖的頂部。

在方案F12條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移。在引水隧洞開挖荷載釋放85%之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同承擔(dān)剩余荷載。位移呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時上下兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為3.61mm，位置位于引水隧洞圍巖的頂部。

在方案F21條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時左右兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為18.64mm，位置位于引水隧洞圍巖左右兩側(cè)。

在方案F22條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱的特征，最大合位移值為11.58mm，位置位于引水隧洞圍巖底部兩個角處。

在方案F31條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱的特征，同時左右兩側(cè)位移量明顯偏大，最大合位移值為40.65mm，位置位于引水隧洞圍巖左右兩側(cè)。

在方案F22條件下，開挖會造成圍巖的應(yīng)力擾動，進(jìn)而產(chǎn)生指向引水隧洞內(nèi)部的位移，呈現(xiàn)出左右對稱的特征，最大合位移值為26.76mm，位置位于引水隧洞圍巖底部兩個角處。

綜合上述，對于引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段，當(dāng)埋深為10m、50m和100m且無支護(hù)開挖時，圍巖位移變形的最大值分別為4.74mm、18.64mm和40.65mm，圍巖位移值較大，穩(wěn)定性不足；在開挖荷載釋放率為85%條件下支護(hù)完成后，相應(yīng)埋深的隧洞圍巖位移最大值分別為3.61mm、11.58mm和26.76mm，相比無支護(hù)條件明顯減小，說明支護(hù)措施可以有效增加圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 F11方案隧洞開挖后圍巖合位移云圖

圖3 F12方案隧洞開挖后圍巖合位移云圖

圖4 F21方案隧洞開挖后圍巖合位移云圖

圖5 F22方案隧洞開挖后圍巖合位移云圖

圖6 F31方案隧洞開挖后圍巖合位移云圖

圖7 F32方案隧洞開挖后圍巖合位移云圖

3.2 圍巖開挖塑性區(qū)分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對不同方案下的圍巖開挖后的塑性區(qū)進(jìn)行模擬計算，獲得見圖8-圖13所示的隧洞開挖后塑性區(qū)分布云圖。由圖可知，對于引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段，當(dāng)埋深為10m、50m和100m且無支護(hù)開挖時，圍巖塑性區(qū)最大深度分別為2.61m、4.76m和5.92m，塑性區(qū)面積分別為57.91m2、123.03m2和206.70m2，隨著埋深增加，塑性區(qū)的深度和面積顯著增大。在開挖荷載釋放率為85%條件下支護(hù)完成后，相應(yīng)埋深的隧洞圍巖塑性區(qū)深度分別為1.74m、2.56m和3.57m，塑性區(qū)面積分別為24.48m2、45.36m2和65.15m2，相比無支護(hù)條件塑性區(qū)深度和面積顯著減小，說明支護(hù)措施可以有效增加圍巖的穩(wěn)定性。

圖8 F11方案隧洞開挖后塑性區(qū)分布圖

圖9 F12方案隧洞開挖后塑性區(qū)分布圖

圖11 F22方案隧洞開挖后塑性區(qū)分布圖

圖12 F31方案隧洞開挖后塑性區(qū)分布圖

圖13 F32方案隧洞開挖后塑性區(qū)分布圖

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

利用構(gòu)建的模型，對F12、F22和F32三種方案下的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計算，獲得見表2所示的計算結(jié)果。由表格中的結(jié)果可知，在圍巖開挖荷載釋放率為85%的條件下，支護(hù)完成之后隧洞埋深達(dá)到50m時，噴層的最大壓應(yīng)力為12.76MPa，已經(jīng)大于噴層混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，可能誘發(fā)噴層的受壓破壞，當(dāng)隧洞埋深為100m時，噴層的最大拉應(yīng)力值為1.24MPa，已經(jīng)大于噴層混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.1MPa，可能誘發(fā)噴層的受拉破壞。在埋深達(dá)到100m時，錨桿的最大拉應(yīng)力達(dá)到錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，可能誘發(fā)較大范圍內(nèi)的錨桿受力屈服。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果

4 結(jié)論與建議

本次研究以某引水隧洞Ⅳ類圍巖洞段為例，利用Flac3D有限元模型對研究洞段圍巖開挖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)模擬計算結(jié)果可知，相比無支護(hù)條件，隊(duì)伍圍巖進(jìn)行有效支護(hù)可以明顯減小圍巖位移變形和塑性區(qū)深度和面積，說明支護(hù)措施可以有效增加圍巖的穩(wěn)定性。在輸水隧洞埋深超過50m時，圍巖塑性區(qū)深度已經(jīng)超過開挖洞徑的兩倍，需要施加噴錨支護(hù)措施。此外，鑒于隧洞埋深較大時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的噴層和錨桿受到的應(yīng)力較大，當(dāng)隧洞埋深達(dá)到50m時，噴層的最大壓應(yīng)力大于噴層混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；當(dāng)隧洞埋深為100m時，噴層的最大拉應(yīng)力值大于噴層混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，錨桿的最大拉應(yīng)力達(dá)到錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。建議采用掛網(wǎng)噴射混凝土或鋼纖維混凝土，以保證噴射混凝土不會產(chǎn)生應(yīng)力破壞。由于圍巖變形與塑性區(qū)深度較大，建議在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加錨桿的強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度，將錨桿的長度增加至4-6m，采用直徑為25mm的錨桿。