基于圍巖穩定性的輸水隧洞二次襯砌混凝土參數優化

周 祁

(南昌市水利電力建設公司，江西 南昌 330025)

1 工程背景

在地下洞室工程中，如何兼顧工程的安全性和經濟性是工程設計與建設中面臨的重要課題[1]。但是，在當前的地下洞室施工設計中依舊對工程經驗存在較大的依賴性，造成在平衡工程的安全性和經濟性方面缺乏必要的理論支持[2]。某新建輸水隧洞全長255m，主要由進口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱等五部分組成。輸水隧洞施工范圍內巖層風化情況比較嚴重，屬于全風化至中風化砂質板巖且節理裂隙發育，自穩性較差，因此對開挖支護施工提出了較高的技術要求[3]。隧洞采取鉆爆法全斷面開挖方式，初期支護主要由直徑為25mm，長2.0m，間距為1.0m砂漿錨桿、鋼筋網、厚度15cm的C20噴射混凝土和I20a鋼拱架組成；二次襯砌擬采用厚度50cm的C30混凝土。目前，我國的地下洞室工程建設技術得到了長足發展，本文利用FLAC3D有限差分軟件構建計算模型，對某輸水隧洞二次襯砌混凝土參數對圍巖穩定性的影響進行數值模擬研究，以便為本工程以及相似工程設計提供有價值的研究成果。

2 FLAC3D有限元計算模型

2.1 軟件的選擇

FLAC軟件是美國ITASCA公司研發的一款仿真計算軟件[4]，該軟件目前有二維和三維兩個版本，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[5]。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有限差分軟件進行某新建輸水隧洞的有限元模型構建，并展開相關研究。

2.2 模型的建立

為了探討二次襯砌參數對輸水隧洞穩定性的影響，采用FLAC3D有限元分析軟件，進行建模計算。某新建輸水隧洞的斷面為城門洞型，凈斷面尺寸為4m×5.8m，拱頂中心角為180°。結合相關研究成果，模型的邊界范圍按照隧洞尺寸的5倍跨度計算，水平方向和數值方向為60m，洞軸線方向為6m[6]。以洞軸線指向下游的方向為y軸的正方向；以垂直于y軸指向左側的方向為x軸正方向；以豎直向上的方向為z軸的正方向。圍巖巖體采用M-C本構模型；初襯噴射混凝土和二次襯砌混凝土采用線彈性模型[7]。為了提高模型計算的精度，對不同的材料區域采用不同的網格單元剖分[8]。其中，對模型采用六面體8節點單元剖分，最終獲得35400個計算單元，39625個計算節點，模型的示意圖如圖1所示。

3 計算結果與分析

3.1 二次襯砌混凝土厚度的影響

保持其他參數不變，對30、35、40、45、50cm五種不同二次襯砌混凝土厚度下的圍巖穩定進行數值模擬計算，并探究其中表現出的規律。

3.1.1圍巖變形分析

對不同二次襯砌混凝土厚度條件下的隧洞圍巖位移變形進行計算，根據計算結果繪制出如圖2—3所示的拱頂最大豎向位移和側墻最大水平位移變化曲線。由圖可知，增加襯砌厚度對約束圍巖位移具有明顯的作用，拱頂和側墻的最大位移值均會隨著襯砌厚度的增加而減小。但是，隧洞拱頂部位的豎向位移減小幅度較為有限。由此可見，增加二次襯砌混凝土的厚度，在抑制拱頂部位豎向位移方面的作用極為有限，但能夠顯著抑制側墻部位的水平位移，但是厚度超過40cm之后，其抑制作用也會明顯減弱[9- 12]。

圖2 不同混凝土厚度下拱頂豎向位移曲線

圖3 不同混凝土厚度下側墻水平位移曲線

3.1.2圍巖塑性區分析

對不同二次襯砌混凝土厚度條件下的隧洞圍巖塑性區面積進行模擬計算，結果見表1。由表中的計算結果可知，輸水隧洞圍巖的塑性區范圍隨著二次襯砌混凝土厚度的增加而不斷下降，但下降幅度不斷減小。當二次襯砌的厚度由30cm增加至40cm時，剪切屈服區域面積出現了十分明顯的減小，當二次襯砌混凝土的厚度增加至45cm時，當前剪切屈服區域消失，但是過去剪切屈服區域的面積并沒有出現明顯變化。因此，二次襯砌混凝土厚度的增加，對控制圍巖塑性區的發展具有重要作用，但是在厚度超過40cm之后，上述作用變得極為有限。綜合圍巖變形和塑性區面積的計算結果，結合工程經濟性的考慮，認為二次襯砌混凝土的厚度應設計為40cm。

表1 不同襯砌厚度下的圍巖塑性區面積計算結果

3.2 二次襯砌混凝土強度的影響

在保持其他參數不變的情況下，對C20、C25、C30、C35、C40五種不同二次襯砌混凝土強度下的圍巖穩定進行數值模擬計算，并探究其中表現出的規律。

3.2.1圍巖變形分析

對不同二次襯砌混凝土強度條件下的隧洞圍巖位移變形進行計算，根據計算結果繪制出如圖4—5所示的拱頂最大豎向位移和側墻最大水平位移變化曲線。由圖可知，拱頂豎向位移和側墻水平位移曲線基本呈水平直線狀態，這說明輸水隧洞的拱頂和側墻部位的位移變形并沒有隨著二次襯砌混凝土厚度的變化產生明顯變化。這說明，增加二次襯砌混凝土的強度等級，對限制圍巖變形并無十分明顯的作用[13- 15]。

圖4 不同混凝土強度下拱頂豎向位移曲線

圖5 不同混凝土強度下側墻水平位移曲線

3.2.2圍巖塑性區分析

對不同二次襯砌混凝土強度條件下的隧洞圍巖塑性區面積進行模擬計算，結果見表2。由表2中的計算結果可知，隨著二次襯砌混凝土強度的增加，輸水隧洞圍巖的塑性區面積并沒有明顯變化。這說明，輸水隧洞二次襯砌混凝土強度等級對圍巖塑性區的影響十分有限，對限制圍巖塑性區的發展并沒有顯著的作用。基于不同二次襯砌混凝土強度等級下的圍巖變形和塑性區面積的計算結果，結合工程經濟性的考慮，認為二次襯砌應該選擇C25混凝土。

表2 不同襯砌厚度下的圍巖塑性區面積計算結果

4 結語

本文以某新建輸水隧洞為例，利用三維有限元數值模擬的方法對二次襯砌參數對圍巖穩定性的影響展開研究，獲得的主要結論如下：

(1)增加二次襯砌混凝土的厚度對圍巖拱頂沉降位移的抑制作用不明顯，而對側墻中心部位圍巖的水平位移有明顯的抑制作用，但是在厚度超過40cm時上述作用明顯減弱。

(2)增加二次襯砌混凝土的厚度，有利于限制塑性區的發展，但是厚度在40cm以上時，這種限制作用會基本保持不變。

(3)二次襯砌混凝土強度對輸水隧洞圍巖的位移和塑性區影響不明顯。

(4)結合研究成果，建議在輸水隧洞二次襯砌設計中選用厚度40cm的C25混凝土，可以在保證基本相同支護效果的情況下獲得更好的經濟性。