水布埡水電站地下施工洞室穩定性分析

胡章新 陳燕華

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443000)

目前有大量學者對隧道的受力特征[1]、圍巖失穩破壞機理[2]、治理措施[3]等方面開展了大量的理論研究、數值模擬和試驗分析。Li Dongliang等通過數值模擬的方法對偏壓結構受力特征等參數對結構的影響進行了研究；在模型試驗方面，雷明鋒等對偏壓隧道破壞及圍巖應力分布進行了試驗模擬和分析，揭示了隧道圍巖中關鍵裂縫為淺埋側的拉伸裂縫，隧道初支形成以拱頂為頂點，以邊坡為底的倒錐形裂縫最終破壞；Sun Lixia等對偏壓隧道的預加固方案選擇進行了研究。但是，在建立數值模型時往往未考慮真實的地層情況，而是將結構面進行了單一化處理，不能很好的反映隧道圍巖的受力變形特征。

1 工程概況

2 三維數值模擬

2.1 數值模型

近年來，由于1號施工支洞ZK0+000～ZK0+062段出現了襯砌剝落、掉塊等現象，其中ZK0+040斷面附近破壞較為集中，將ZK0+040斷面作為研究的關鍵斷面。因此采用Flac3D數值分析軟件對隧道開挖后和開挖后10年的應力、應變特征進行研究。根據實際的工程地質條件，并考慮結構面對隧道的影響，計算模型如圖1所示。通過對實際地質塊體情況分析，發現對隧道影響較大的結構面主要有1個剪切帶(g48)、2個斷層(F140和f17)和4組裂隙(T36，T24，T25和T26)，各結構面與1號施工支洞的位置關系如圖2所示。為了對隧道開挖后和開挖后10年的應力、應變特征進行研究，三維計算時對未考慮蠕變影響和考慮蠕變影響兩種情況進行對比分析。

2.2 三維數值分析

2.2.1 未考慮蠕變影響

計算采用三維彈塑性(Mohr-Coulomb模型)進行分析，計算參數如表1所示。

表1 模型選取的材料參數

名稱變形模量/Pa摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比砂巖5.0×109376000.30灰巖1.5×1010501 0000.25裂隙1.5×10810100.35斷層1.0×109273000.35剪切帶1.5×10812100.35襯砌2.6×1010——0.17

將結構面集中的斷面(ZK0+040)作為關鍵研究面，對其受力、變形特征進行分析，并選取隧道斷面的四個關鍵點(拱頂、右拱腰、左拱腰、底板)作為研究點。隧道開挖后，研究面的應力特征如圖3所示，可以看出ZK0+040斷面拱圈范圍內分布了較多的拉應力，最大值約為24.63 kPa。從豎向位移云圖可以看出，ZK0+040斷面拱頂豎向位移約為3.05 mm，底板回彈位移約為2.48 mm，左右拱腰位移均較小。整個隧道中變形最大出現在ZK0+040斷面的拱頂，最大位移約為3.05 mm。隧道處于穩定狀態。

2.2.2 考慮蠕變影響

采用粘彈塑性CVISC模型(Burgers模型M-C元件串聯模型)進行計算。選取上述關鍵研究面對1號施工支洞開挖10年后的受力、變形特征進行分析。隧道開挖10年后，從圖4中的應力分布可以看出，ZK0+040斷面拱頂范圍出現約0.30 MPa的拉應力，受剪切帶g48的影響，邊墻兩側出現明顯的壓應力，最大約為6.5 MPa。從豎向位移云圖可以看出，相較于初始變形，10年后ZK0+040斷面的位移均有較為明顯的增加；ZK0+040斷面拱頂下沉約為2.33 cm，底板回彈位移約為1.34 cm，左右拱腰位移均不大。整個隧道中變形最大出現在ZK0+040斷面的拱頂，最大位移約為2.33 cm。該斷面應重點關注。

通過以上對比分析可以看出：隧道受結構面的影響較為明顯，在結構面集中部位，ZK0+040斷面應力、應變均較大。當隧道開挖后，關鍵研究面的拱頂下沉值較小約為3.05 mm，出現的最大拉應力在拱頂，最大約為24.63 kPa，隧道整體處于穩定狀態。開挖10年后，關鍵研究面的應力、應變均明顯增大，其中ZK0+040斷面裂隙貫穿的拱頂部位拱頂下沉值較大，約為2.33 cm，隧道拱頂的拉應力約為0.3 MPa，很有可能導致ZK0+040斷面附近的破壞。

3 結語

通過對1號施工支洞開挖和開挖10年后的應力、應變特征進行研究，得到以下兩個主要結論：一是隧道受結構面的影響較大。開挖后，隧道的應力、應變均較小，隧道整體處于穩定狀態；二是開挖10年后，關鍵斷面的應力、應變均明顯增大，其中ZK0+040斷面裂隙貫穿的拱頂部位應力、應變均較大，很有可能導致隧道在ZK0+040斷面附近的局部破壞。