輸水隧洞V級圍巖洞段開挖進尺數值模擬研究

易斌華，鄒 芳

(1.江西富邦建設有限公司，江西 九江 332400；2.江西長華建設工程有限公司，江西 南昌 330100)

1 工程背景

某輸水工程主要由取水頭部、預處理廠、加壓泵站、凈水廠、輸水管線和輸水隧洞組成，管線全長81km，設計日引水能力30萬m3/d。工程的輸水隧洞為長1662m的無壓自流隧洞，進口和出口的洞底高程分別為193.3和192.4m。隧洞斷面為城門洞型設計，隧洞的進口和出口部位設置有連接井。根據施工前的地質勘測資料，輸水隧洞大部分洞段的工程地質條件良好，僅在穿越D11斷層部位的圍巖狀態較差，主要為IV級到V級巖體，給隧洞的開挖施工帶來一定的挑戰。為保證施工的順利進行，本文利用數值模擬的方法，對隧洞的開挖進尺進行優化研究，以期為施工設計提供必要的參考。

2 FLAC3D有限元計算模型的構建

2.1 FLAC3D有限差分軟件

FLAC軟件是美國ITASCA公司研發的一款仿真計算軟件[1]，該軟件目前有二維和三維2個版本，其中，FLAC3D三維有限差分程序是FLAC2D二維有限差分程序的拓展，主要應用于巖土體及各種相關材料的三維結構受力數值模擬研究。由于FLAC3D有限差分軟件采用的是顯式拉格朗日算法以及混合-離散分區技術，因此不需要構建剛度矩陣就能實現對材料三維結構受力的準確模擬[2]。所以，利用該軟件可以通過較小的計算量解決比較復雜的三維數值模擬問題。基于此，本次研究選擇FIAC3D有限差分軟件進行大風口水庫新建輸水隧洞的有限元模型構建，并展開相關研究。

2.2 有限元計算模型的構建

結合某引水工程輸水隧洞V級圍巖洞段的地質情況，選擇Z2+143斷面作為典型斷面進行模型的構建。該斷面埋深為96m，開挖斷面為城門洞型，斷面尺寸為2.8m×3.0m。根據相關理論和工程實踐經驗，地下洞室工程開挖施工過程中5倍洞徑范圍內的影響不會超過1%[3]。基于研究的精度和有限元離散誤差的要求，本次研究選擇10倍洞徑作為模型的計算范圍。

在計算模型構建過程中，以引水隧洞指向下游的方向為Y軸正方向，以與Y軸垂直指向右側的方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向，以隧洞中心點為坐標原點。對構建的模型利用六面體8節點等參單元模擬隧洞的圍巖巖體，利用Mohr-Coulumb模型對圍巖的彈塑性變形特征進行模擬[4]；錨桿則利用彈性本構模型進行模擬[5]。對構建的模型采用6面體8節點平面應變單元進行網格剖分，網格平均尺寸為4m，隧洞附近的圍巖區進行網格加密，選取平均邊長為0.8m的網格單元，最終生成12367個網格單元，14560個計算節點。模型的網格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 約束條件與計算參數

FLAC3D有限元軟件提供了壓力、溫度、速度、位移支撐等多種形式的模型邊界條件[6]。在本文研究中，基于研究對象的實際特點和研究目的，選擇位移和應力邊界條件。結合研究洞段的地質和圍巖參數，將0.85MPa的法向均布荷載施加于模型的上邊界，以模擬開挖部位上部巖層自重。在模型的兩側施加1.04MPa的水平應力；模型的上部不施加位移約束，左右兩側為水平位移約束，底部施加豎向位移約束[7]。研究采用相關工程經驗值和試驗結果相結合的方式獲得圍巖巖體和支護結構的物理力學參數，結果見表1[8]。

表1 模型材料計算參數

2.4 計算方案設計

根據施工設計，輸水隧洞的V級圍巖洞段采用微臺階開挖法進行施工。顯然，開挖進尺設計值過小，不利于提升工程施工效率，進而加大工程施工成本，如果開挖進尺設計值過大，則容易誘發巨大的工程安全風險。鑒于此，研究結合相關施工經驗以及理論研究成果，設計0.5、1.0、1.5、2.0m四個不同的開挖進尺，利用構建的數值計算模型對不同開挖進尺下的圍巖位移和應力進行計算，并根據計算結果獲得最佳開挖進尺。

3 計算結果與分析

3.1 圍巖位移計算結果與分析

利用上節構建的有限元計算模型，對上述4種不同工況下的輸水隧洞圍巖變形進行模擬計算，其中拱頂沉降變形及沿縱向變化如圖2—3所示。由圖2—3可知，研究洞段的拱頂沉降會隨著開挖進尺的增大而增大，同時增大的速率也有一定程度的增加。具體而言，0.5、1.0、1.5、2.0m四個不同的開挖進尺下的拱頂沉降量分別為22.56、26.35、30.89、36.21mm。開挖進尺為1.0m時，拱頂沉降變形比0.5m開挖進尺增加3.79mm，增加了16.80%；開挖進尺為1.5m時，拱頂沉降變形比1.0m開挖進尺增加4.54mm，增加了17.23%；開挖進尺為2.0m時，拱頂沉降變形比1.05m開挖進尺增加5.41mm，增加了17.51%。

圖2 不同開挖進尺拱頂沉降縱向變化曲線

圖3 不同開挖進尺下拱頂沉降圖

3.2 圍巖應力計算結果分析

利用上節構建的有限元計算模型，對上述4種不同開挖進尺下的輸水隧洞圍巖的拱頂、拱肩以及拱腰3個典型部位的第一主應力進行模擬計算，獲得如圖4—6所示第一主應力縱向變化曲線。不同開挖進尺圍巖最大主應力的變化曲線如圖7所示。

由圖4—7中的變化規律可知，隨著開挖進尺的增大，研究洞段圍巖各個典型部位的第一主應力值也呈現出不斷增大的態勢，并逐步由原來的受壓狀態轉變為受拉狀態。從不同開挖進尺的具體情況來看，當開挖進尺設定為0.5m的情況下，隧洞圍巖的拱肩部位沒有出現拉應力，但是拱頂與拱腳部位出現了拉應力；在開挖進尺增大到1.0m的情況下，隧洞圍巖的3個典型部位的第一主應力值繼續增大，同時隧洞的拱肩部位也出現了比較明顯的拉應力，但是此時的拉應力值并沒有超過圍巖本身的抗拉強度，說明開挖過程中圍巖不會在拉應力的作用下產生失穩破壞。但是，當開挖進尺為1.5m時，圍巖應力就會超過圍巖巖體的抗拉強度極限，研究洞段的圍巖在各個典型部位均會產生比較明顯的受拉破壞。當開挖進尺為2.0m時，隧洞圍巖的拉應力值持續增大，研究洞段的圍巖受拉破壞的區域也進一步擴大。

圖4 不同開挖進尺拱頂第一主應力變化曲線

圖5 不同開挖進尺拱肩第一主應力變化曲線

圖6 不同開挖進尺拱腰第一主應力變化曲線

圖7 不同開挖進尺最大主應力變化曲線

綜上所述，研究洞段的位移變形與應力會受到開挖進尺的明顯影響。首先，研究洞段的拱頂沉降會隨著開挖進尺的增大而增大，同時增大的速率也有一定程度的增加。同時，研究洞段圍巖各個典型部位的第一主應力值也呈現出不斷增大的態勢，并逐步轉變為受拉狀態。在開挖進尺為1.5m時，圍巖的拉應力值超過圍巖巖體的抗拉強度極限，研究洞段的圍巖在各個典型部位均會產生比較明顯的受拉破壞。因此，研究洞段開挖施工的安全進尺為1.0m。

4 結論

本次研究以某引水工程輸水隧洞V級圍巖洞段為例，利用有限元數值模擬軟件對開挖進尺進行優化研究，并獲得如下主要結論。

(1)隨著開挖進尺的不斷增大，圍巖的沉降變形量也迅速增大，同時增加的速率也在變大。

(2)研究洞段圍巖各個典型部位的第一主應力值也呈現出不斷增大的態勢，并逐步轉變為受拉狀態。開挖進尺為1.5m時，圍巖的拉應力值超過圍巖巖體的抗拉強度極限，研究洞段的圍巖在各個典型部位均會產生比較明顯的受拉破壞。

綜上，建議在開挖施工中選擇1.0m的開挖進尺。