引水隧洞洞段围岩稳定性数值模拟

于士程，刘洪铖，卢长伟

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021）

1 概况

新疆某输水隧洞是连接南北两侧的大型跨流域调水工程，洞长41.92 km，设计洞径5.2 m，最大输水流量65 m3/s，底坡1/559，为无压输水隧洞。输水隧洞洞底高程1 270~1 195 m，埋深在500～2 268 m的洞段长占总长的2/3，属超深长隧洞[1]。隧洞沿线断裂构造发育，较大断层36条，以压、压扭性为主[2]。隧洞跨越距离超长，地质条件异常复杂，洞子埋深超大，地应力超高，部分洞段围岩自承能力超低，多种支护方式和处理措施的联合实施是必然的选择。因此，研究试图基于洞室段围岩初始应力的合理假设，通过数值模拟的方式计算隧洞开挖及支护的应力和位移变化，为地下洞室工程的围岩稳定性评价和支护结构计算提供必要指导[3]。

2 计算模型及条件建立

2.1 洞段开挖及支护模型建立

研究中以引水隧洞为工程背景，以志留系上统库茹尔组（S3k）泥质粉砂岩洞段为研究对象，洞段埋深1 000 m。隧洞轮廓为圆形，隧洞半径3.05 m，开挖方法为全断面开挖。为了减少模型边界效应对计算结果产生的影响，模型两侧各取10倍洞径，最终模型尺寸为60 m×60 m。模型采用六面体单元划分，并对隧洞围岩局部进行加密处理。支护方案采用φ25@1.5-3锚杆、15C30喷混凝土和I20b@100 cm钢支撑。在FLAC3D有限差分软件中，Pile单元模拟锚杆，梁（Beam）单元模拟钢拱架。

2.2 边界条件及计算参数的选取

在模型的上表面设定为自由边界，无约束，即允许其自由的变形；模型的底面可以视为半无限空间体，为了满足静力平衡条件，约束模型底面各个方向的位移；模型的左右两侧面和前后面都为相应的法向约束[4]。假定构造应力为洞段围岩最大主应力，各向主应力分别为σH=39.5 MPa，σh=35.9 MPa，σv=27.5 MPa。岩体围岩为Ⅳ类，其物理力学参数：变形模量4.5 GPa，泊松比0.31，内摩擦角32.5°，粘聚力0.3 MPa，密度2.42 kg/m。

2.3 特征点布置

模拟隧洞开挖后，为了更直观掌握隧洞围岩变形、初期支护结构受力、塑性区开展深度等信息[5]，在洞室四周布置4个特征点进行分析研究，各个特征点的位置如图1所示。

图1 特征点位置示意图

3 计算结果与分析

利用已构建的数值计算模型，围岩采用弹塑性本构模型，初期支护采用弹性模型。隧洞开挖后，围岩位移计算结果见表1。从表1计算结果可知，水平方向位移量最大，究其原因，主要是围岩最大主应力为构造应力，而自重应力为最小主应力，因此竖直方向位移量小。

表1 隧洞开挖后各特征点位移计算结果mm

洞室开挖完毕后，首先采用C30混凝土一次衬砌，衬砌厚度为15 cm。衬砌后应力分布如图2所示。一衬喷混凝土拱顶和边墙基本都是受压状态，最大压应力29.28 MPa，无拉应力。受力最大值主要集中在仰拱和顶拱，究其原因，主要是因为在构造应力作用下，水平位移大，应力得到充分释放，而自重应力集中现象比较明显，因此顶拱和仰拱应力集中。

图2 一衬喷混凝土主应力分布图（单位：Pa）

然后对隧洞围岩进行锚杆支护，在仰拱间隔1.5 m布置1根锚杆，共计7根。锚杆轴力分布图如图3。

图3 锚杆轴力分布图（单位：Pa）

采集锚杆轴力，绘制锚杆轴力统计值见表2。从表2可知，4号锚杆所承受拉力最大为11.86 t，说明自重应力在顶拱存在应力集中现象，在支护前自重应力未得到充分释放。

表2 各锚杆轴力分布表t

最后对隧洞进行钢支撑支护，钢支撑上弯矩分布如图4。钢支撑拱顶和两边墙部位的最大弯矩在2.90 kN·m左右，引起的拉压应力在11.6 MPa左右。

图4 钢支撑弯矩分布图（单位：N·m）

钢支撑上轴力分布如图5。钢支撑底边角点以外部位最大轴力为195.87 kN，引起的最大压应力为48.97 MPa，与弯矩产生的应力叠加，钢支撑所受最大压应力为60.57 MPa。

图5 钢支撑轴力分布图（单位：N）

4 结语

通过建立有限元计算模型，利用FLAC3D进行有限差分计算，对引水隧洞开挖及支护后的应力及位移进行计算分析，得出：在考虑构造应力为地应力最大主应力时，隧洞开挖后，两侧边墙变形量大，顶拱与仰拱变形量小；隧洞围岩支护后，一次衬砌混凝土及锚杆应力分布均表现出隧洞顶拱及仰拱应力大，这与围岩自重应力集中有很大关系。数值模拟隧洞开挖及围岩支护对工程施工具有一定的借鉴意义。