某輸水工程Ⅴ類圍巖馬蹄形隧洞有限元分析

樊一平

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在水利、交通、礦業等行業工程建設過程中，經常出現開挖隧洞的情況，以達到縮短工程建設長度，節約工程投資，保障工程使用安全等目的。蘇志生等[1]結合大伙房水庫建設工程，分析了輸水隧洞裂縫形成的原因，可能導致嚴重的滲水情況，并提出了防御措施；齊凱[2]采用FLAC3D 數值模擬方法，研究了深埋高壓隧洞穩定性情況，認為埋深超過200 m 的隧洞需要采取加強支護措施；寧川[3]采用ABAQUS 軟件，分析流固耦合機制下深埋隧洞的滲流情況，認為堵、排水效果與隧洞內外水壓力關系密切；劉嶺楠等[4]結合大前石嶺隧道工程對復雜地質環境下的隧道爆破開挖提出了施工建議，保證了隧道建設的正常進行；杜立強等[5]、張宇等[6]、蔣吉芳等[7]分別對烏東德水電站泄洪洞、左岸引水、引水隧洞施工過程中的混凝土溫度控制、施工質量控制以及鋼襯混凝土施工方法進行研究，在實際工程建設中取得了不菲的成績；劉志明[8]對錨桿加固穿越斷層引水隧洞加固效果進行分析，結果表明：加固后隧洞圍巖變形控制效果較好。根據前人研究成果可知，在隧洞穩定性分析中常用的方法包括：數值模擬[9～10]、預測分析[11～12]等，不同方法均取得了較為顯著的成果。結合新疆某段輸水隧洞情況，采用數值模擬方法對隧洞支護成果進行分析。

1 工程概況

本工程輸水工程全長為148 km，隧洞部分長度為140 km。引水隧洞采用無壓隧洞方式向下游運輸水源。引水隧洞開挖方式為鉆爆施工和TBM施工。鉆爆施工段引水隧洞過水斷面為馬蹄形，洞徑7.5 m，設計輸水流量65 m3/s。

2 隧洞地質情況及支護措施

2.1 基本地質情況

引水隧洞全長為140 km，穿越多個地層，地質情況較為復雜，根據區域地質情況，隧洞穿越的主要巖性包括：石英片巖、花崗片麻巖以及黑云母片麻巖等。從巖性方面看，完整的巖體具有較高的強度，但是，由于引水隧洞所在地區地質構造活動較為強烈，在強烈的地質活動影響下部分隧洞圍巖強度較低，巖體內發育有較多的結構面，巖體結構較為破碎，對引水隧洞的穩定性具有不利的影響，根據調查結果，劃分圍巖類型為Ⅴ類，針對這種情況，選取斷層破碎帶附近的不利斷面，建立數值模擬模型分析擬采用的支護措施的合理性。

2.2 引水隧洞支護措施

本工程馬蹄形引水隧洞過水斷面采用R2=2R1的標準馬蹄形斷面，支護方式為一次支護（噴護混凝土）+二次襯砌的組合襯砌形式。斷層破碎帶附近Ⅴ類圍巖引水隧洞段開挖洞徑為8.9 m，此處預留變形量為5 cm，一次支護措施為厚度20 cm 的C30 掛網噴護混凝土，同時架立HW150 型鋼拱架，邊、頂拱打設3.5 m 長φ25 砂漿錨桿，錨桿間距為2.0 m，二次襯砌采用厚度為45 cm 的C35 鋼筋混凝土。Ⅴ類圍巖斷層帶引水隧洞斷面（不利斷面）襯砌結構見圖1。

圖1 Ⅴ類圍巖隧洞結構斷面圖

3 數值模擬分析

3.1 有限元模型建立

噴護混凝土及二次襯砌混凝土結構采用彈性介質以二維實體單元模擬，圍巖假設為彈塑性材料，采用摩爾- 庫倫準則模擬其屈服狀態，鋼拱架采用彈性介質以梁單元模擬，錨桿采用彈性介質以桿單元模擬。

左右垂直邊界采用水平向約束，底部邊界采用水平及垂直向約束。數值模擬計算模型見圖2。

圖2 計算模型圖

3.2 計算斷面及參數選取

根據現場調查結果，引水隧洞沿線受地質構造活動影響較大，存在有斷裂破碎帶，對引水隧洞的穩定性造成嚴重的威脅。為了保證支護結構在整個引水隧洞的使用中能保證安全，綜合考慮使用最不利的斷面作為計算斷面，該斷面的基本信息見表1。

表1 計算斷面信息

數值模擬圍巖計算參數見表2。噴護混凝土及二次襯砌結構混凝土的計算參數按照規范要求的混凝土設計參數進行選取，錨桿及拱架計算參數按照鋼進行選取?；炷?、錨桿、拱架計算參數見表3。

表2 圍巖數值模擬計算參數

表3 支護措施計算參數

3.3 計算成果及分析

有限元數值模擬計算結果見圖3。從圖3（a）可知，引水隧洞最大位移變形量為0.44 cm，最大位移發生于隧洞拱頂部位，邊拱、頂拱位置屬于圍巖變形較大區域，但整體變形滿足預留的5 cm 變形量，計算結果表明預留變形量選取值較為合理，可以保證隧洞的整體穩定性；噴護混凝土應力云圖見圖3（b），從圖中可知：噴射混凝土后最大壓應力位于邊拱處，數值為2.92 MPa，該值小于所選取的C30 混凝土的抗壓強度設計值，噴射混凝土層未出現拉應力，噴射混凝土層不會出現裂縫；拱架應力云圖見圖3（c），從圖中可知拱架采用三級鋼筋材料，其最大應力值為20.63 MPa，該值不大于三級鋼筋允許抗壓強度設計值，拱架穩定性較高；二次襯砌應力云圖見圖3（d），從圖中可知二次襯砌結構采用C35 混凝土，未出現拉應力，最大壓應力位于拱腳處，最大值為5.97 MPa，小于規范所規定的C35 混凝土抗壓強度設計值，二次襯砌結構穩定性滿足要求。

綜上可以得出，該工程馬蹄形隧洞Ⅴ類圍巖斷層帶洞段所選取的預留變形量和支護襯砌措施是合適的。由于斷層破碎帶附近引水隧洞圍巖物理性質較差，在鉆爆施工擾動影響下，極有可能出現小規模的破壞，對施工人員安全產生威脅。因此，在施工過程中應當根據現場實際情況，采取相應的超前支護措施，以保證施工人員的安全和工程建設的進度。

圖3 有限元計算結果云圖

4 結論

輸水工程引水隧洞支護結構穩定性對保證工程運行具有重要意義。結合新疆某輸水工程引水隧洞調查成果，選擇位于構造活動帶附近的最不利斷面作為計算斷面，使用有限元數值模擬方法對馬蹄形隧洞Ⅴ類圍巖洞段預留變形量和襯砌結構支護成果進行分析。通過分析應力應變結果可知，最大變形量為0.44 cm，位于拱頂部位，小于預留5 cm 變形量，滿足要求，且噴護混凝土、拱架、二次襯砌結構均為出現拉應力，結構內部壓應力亦在允許范圍內，為保護施工過程中人員的安全，應當在斷層破碎帶附近采用相應的超前支護措施。