引黄工程下穿段隧洞安全稳定性有限元分析研究

张 伟

(山西省水利水电工程建设监理有限公司，太原 030000)

1 工程概况

山西省中部引黄工程自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六个县(市/区)，中部引黄工程总干 3#隧洞穿越桩号为改 47+968.01-48+034.3，全长 66.29m，设计纵坡 1/3800[1]。于“改 48+001.09”处下穿天古崖隧道桩号K38+506.76)处交叉，交叉角度 125°。交叉段采用隧洞穿越，隧洞交叉段为岩石洞段，采用城门洞形断面，净宽 4.2m，净高 5.1m，直墙段高 3m，设计水深3.48m，顶拱中心角 180°。

2 有限元法计算原理

2.1 最小位能法

有限元法中最小位能原理表示为：载荷作用下的结构体总位能因受力变形的应变能U和外荷载位移位能Wp之和，当结构体静力平衡时，该总位能为极小值，表达为：

Π=U+Wp

(1)

δΠ=0

(2)

从δΠ=0可得各结点的荷载-位移平衡方程，解出结点未知位移后可求出各单元的应力变形[2]。

2.2 非线性方程组分析

分析采用变Kp的迭代公式：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 引黄工程下穿隧洞安全数值模拟分析

3.1 围岩力学参数

衬砌方式：隧洞全断面采用 C25 钢筋混凝土衬砌，衬砌厚 35cm；径向设φ25、长2m 的系统锚杆，梅花形布置，间距 1m。围岩物理参数统计见表1[3]。

3.2 计算模型

全断面开挖施工三维模型图见图1。

围岩采用三维实体单元，衬砌采用板单元，锚杆采用二维植入式桁架单元模拟。计算模型水平方向宽度取 100m，竖直方向向下取 20m，向上100m为洞口浅埋段至地表[4]。全断面开挖施工模拟图见图1，天古崖隧道考虑列车荷载三维模型见图2。

表1 围岩各物理力学参数表

图1 全断面开挖施工三维模型图 图2 天古崖隧道考虑列车荷载模型图

针对引水隧道深埋 IV 级围岩进行全断面法施工，进尺取 0.7m。施工模拟时冻结相应区域岩体单元模拟开挖，激活加固区域材料模拟锚杆加固和单元模拟喷射混凝土[5]。

3.3 计算结果

通过三维有限元数值模拟计算，引水隧道开挖施工时隧道围岩变形见图3，引水隧道衬砌变形见图4，开挖和围岩与支护结构受力见图5和见6，隧道开挖施工和衬砌最大主应力见图7和图8。

图3 引水隧道开挖施工围岩竖向变形云图 图4 引水隧道开挖施工围岩横向变形云图

图7 引水隧道开挖施工围岩最大主应力云图

图8 引水隧道开挖施工衬砌最大主应力云图

在引水隧道开挖施工过程中，既有隧道和引水隧道变形计算结果如表2所示。当考虑天古崖隧道列车荷载作用时引水隧道和既有隧道变形计算结果见表3。

表2 引水隧道开挖施工既有隧洞最大变形值

表3 引水隧洞开挖施工隧洞最大变形值

通过数值模拟计算，主要结论如下：

1)采用全断面法开挖引水隧道过程中，拱顶沉降约为 3.33mm，向地表衰减慢，拱底隆起约为 3.08mm，涉及范围较广，施工时加强监控量测，提供数据指导，确保施工安全。

2)采用全断面法开挖引水隧道过程中，围岩收敛变形较大，水平变形相对收敛约为 10.83mm。所以，开挖隧道应加强两处支护，锚杆及时跟进，初期支护紧跟开挖工序。

3)采用全断面法开挖引水隧道过程中，对既有的天古崖隧道有一定的影响，未考虑列车荷载时，其最大竖向变形拱顶下沉约 0.84mm，拱底沉降约 0.82mm，最大横向变形左侧约 0.16mm，右侧约 0.15mm，变形较小，影响范围较窄。

4)考虑既有隧道列车荷载作用，引水隧道变形最大增大 20%左右，既有隧道变形最大增大 25%左右，因此，引水隧道的爆破开挖施工要尽可能避开既有隧道车辆运行阶段。

4 结 论

文章基于有限元法的最小位能原理，结合引黄工程总干 3#隧洞下穿铁路段建立数值仿真模型，通过数值模拟计算得出采用全断面法开挖引水隧道，新建隧洞拱顶沉降向地表衰减慢，围岩收敛变形较大，对天古崖隧道有一定的影响。从隧道变形值来看，基本符合铁路隧道设计和施工规范要求，但引水隧道的爆破开挖施工要尽可能避开既有隧道车辆运行阶段。