王丹妮 康文軍 任小亮

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710100)

1 工程概況

該水電站位于非洲贊比亞和津巴布韋兩國(guó)交界的贊比亞西河中游卡里巴峽谷內(nèi)，水庫(kù)庫(kù)容1 840億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。本次擴(kuò)機(jī)300 MW，擴(kuò)機(jī)電站進(jìn)水口位于已建成的水庫(kù)右岸。該隧洞為地下廠房、引水下平段及尾水洞施工支洞，進(jìn)口位于進(jìn)廠道路下部，進(jìn)廠道路為地下廠房開挖主要出渣通道。支洞標(biāo)準(zhǔn)斷面8.0 m×7.0 m，進(jìn)口為Ⅳ類圍巖段，上覆巖體厚度約12 m，開挖斷面9.2 m×8.1 m。

2 計(jì)算條件

2.1 計(jì)算內(nèi)容

出渣車輛需從隧洞頂部通過，車輛為40 t載重汽車，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖巖體介質(zhì)的相互作用， 將巖體視為彈塑性介質(zhì)，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷圍巖在開挖過程中的塑性屈服狀態(tài)，初始地應(yīng)力場(chǎng)由重力自動(dòng)生成，噴混凝土、鋼支撐和錨桿采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)隧洞的地形、地質(zhì)條件，采用有限元軟件PHASE2對(duì)支洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行平面有限元計(jì)算，分析應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)、塑性區(qū)分布范圍及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

Ⅳ類圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 Ⅳ類圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值

2.3 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載考慮道路頂部汽車荷載和洞頂及側(cè)向圍巖壓力。

1)汽車荷載。根據(jù)GBJ 22—87廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范，40 t載重汽車計(jì)算荷載以車隊(duì)表示，縱向排列、橫向布置按圖1所示 。按最不利工況，汽車荷載作用在該隧洞正上方，荷載按照40 t考慮，車輛軸距3.6 m，計(jì)算按照均布荷載加載：q=400/2/3.6=55.6 kN/m2。40 t載重汽車平面尺寸和橫向布置如圖1所示，汽車車隊(duì)縱向排列如圖2所示。

2)圍巖壓力。圍巖壓力由軟件根據(jù)輸入的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算。

2.4 計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型范圍左右兩側(cè)及底部取隧洞尺寸的3倍以上，模型底部以Z向法向約束，左右兩側(cè)以X向法向約束。依據(jù)隧洞規(guī)模和工程地質(zhì)條件，以及同等工程類比，擬定支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：掛網(wǎng)噴混凝土厚度15 cm，鋼筋網(wǎng)采用φ6.0鋼筋制作，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。鋼支撐布置20號(hào)工字鋼，間距1.0 m。系統(tǒng)錨桿φ25，長(zhǎng)度L=4.5 m，間排距1.5 m×1.5 m。結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 一期支護(hù)參數(shù)表

采用PHASE2有限元軟件建立模型，單元3031，節(jié)點(diǎn)5052，掛網(wǎng)噴混凝土與鋼支撐組合后共同施加，布設(shè)系統(tǒng)錨桿。坐標(biāo)系X向?yàn)樗街赶蛴覟檎?，Z向豎直方向指向上為正。圍巖物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)均采用建議值的下限值。初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型見圖3，一期開挖支護(hù)計(jì)算模型見圖4。本文假定隧洞開挖后圍巖應(yīng)力釋放全部由支護(hù)措施承擔(dān)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文主要依據(jù)地下洞室群在開挖過程中圍巖的應(yīng)力、變形、塑性區(qū)開展深度的分析，對(duì)支護(hù)方案的有效性做出合理評(píng)價(jià)。有限元計(jì)算分別對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)和隧洞一期支護(hù)進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果拉應(yīng)力為“-”，壓應(yīng)力為“+”。

3.1 初始應(yīng)力場(chǎng)

初始應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算結(jié)果：從圖5可知，Z向應(yīng)力最大值達(dá)到了0.70 MPa，出現(xiàn)在模型底部。整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)以水平層狀分布，符合由重力引起的應(yīng)力場(chǎng)的特征。

3.2 圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

隧洞一期支護(hù)應(yīng)力應(yīng)變分析有限元計(jì)算結(jié)果：見圖6～圖11。從應(yīng)力云圖可知，隧洞第一主應(yīng)力最大值達(dá)到了0.666 MPa，出現(xiàn)在頂拱拱腳處。第三主應(yīng)力最大值達(dá)到了0.338 MPa，出現(xiàn)在頂拱拱腳處。開挖面支護(hù)結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。從變形云圖可知，圍巖臨空面的變形不大，水平位移最大1.21 mm，出現(xiàn)在直墻中部，垂直位移最大1.82 mm，出現(xiàn)在底板中部。

塑性區(qū)范圍見圖10，塑性區(qū)最大深度在4.3 m范圍以內(nèi)，主要集中在邊墻和底板兩端部位置，故設(shè)置4.5 m長(zhǎng)錨桿可控制塑性區(qū)的發(fā)展。

掛網(wǎng)噴混凝土與鋼支撐組合鋼襯和錨桿的受力狀態(tài)見圖11，錨桿編號(hào)為1～10。表3顯示了組合鋼襯每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力承載狀態(tài)，掛網(wǎng)噴混凝土與鋼支撐組合鋼襯最大應(yīng)力為71.75 MPa，小于工字鋼20a鋼支撐最小允許應(yīng)力345 MPa。表4顯示了每個(gè)錨桿的承載狀態(tài)，錨桿最大應(yīng)力為59.79 MPa，小于系統(tǒng)錨桿φ25最小允許應(yīng)力300 MPa。

表3 計(jì)算的組合鋼襯受力最值表

表4 計(jì)算的錨桿拉應(yīng)力表

4 結(jié)語(yǔ)

1)在汽車荷載和圍巖應(yīng)力耦合作用下，該隧洞一期開挖支護(hù)的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在頂拱，無(wú)拉應(yīng)力區(qū)。圍巖臨空面的變形不大，水平位移出現(xiàn)在直墻中部，垂直位移出現(xiàn)在底板中部，應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果滿足要求。

2)本文假定隧洞開挖后圍巖應(yīng)力釋放全部由支護(hù)措施承擔(dān)，將一期支護(hù)措施系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土和鋼支撐進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算的錨桿拉應(yīng)力小于允許拉應(yīng)力，掛網(wǎng)噴混凝土與鋼支撐組合受力，滿足允許應(yīng)力要求，圍巖塑性區(qū)在錨桿長(zhǎng)度的控制范圍。隧洞實(shí)際運(yùn)行表明，隧洞一期支護(hù)措施是合適、有效的，保證了初期隧洞安全運(yùn)行。