采用短臺階開挖法的水工隧道穩定性數值模擬分析

胡輝東

摘要：根據某引水隧道，采用數值方法模擬臺階開挖法的施工過程。結論表明：采用短臺階開挖法沉降和變形量小，穩定性高;開挖后要緊跟支護結構，利用支護結構承受很大部分的圍巖壓力，為二襯的施作和發揮作用提供時機。

關鍵詞：ADINA;數值模擬;穩定性

近來，水利水電建設的不斷發展，引水隧洞作為一種重要的地下工程建筑物，隧洞開挖支護措施合理性直接關系到隧洞施工的安全。研究引水隧洞在開挖支護過程中以及支護完成后的穩定性[1-7]，對了解支護效果和改進支護措施有一定的意義。隧洞開挖引起的圍巖卸荷[8]對圍巖的劣化作用不容忽視。引水隧洞開挖后應力重新分布，變形量大，在施工過程中經常出現圍巖失穩、塌方造成人員傷亡和設備損失，不僅延誤工期、增加造價，還造成生命財產的損失。因此，合理的襯砌支護方案就顯得尤為重要。隨著技術條件的完善，周澤林等[9]、賈劍青等[10]運用FLAC3D隧洞圍巖和支護結構的穩定性。

本文擬采用數值模擬的方法，建立有限元分析模型，模擬短臺階開挖法對某引水隧道開挖，揭示開挖過程中圍巖的受力，位移情況以及支護結構的受力特點，為實際施工提供一定參考。

一、數值分析模型

（一）模型概況

結合某引水隧道相關資料建立該引水隧道模型。為了模擬現場施工情況，本文采用ADINA建立三維隧道模型。

模型上表面距離地面為50m，模型的邊界尺寸取約為隧道高度的5倍。這里取長為115.0m，高為120.0m。隧道為城門洞型斷面，由上半部分半圓弧加上下半部分正方形組成，圓弧半徑為3.6米，正方形邊長為7.2米，徑向洞身長度為16m。模型左右的邊界約束水平方向，底邊為全約束。計算中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，襯砌和錨桿均采用彈性模型。整個模型節點數為22469，單元數為29746。

洞身長度為16m，取4m為一個開挖進尺。本文采用短臺階的方法，分兩步開挖。其施工過程為：第1步是先開挖城門洞上部圓弧形部分的巖體，并對頂部施加錨桿支護和混凝土襯砌;第2步開挖下部矩形部分巖體，施加兩側和底部襯砌。完成第一個循環進尺后，進行第二個開挖進尺，第二個開挖進尺按上述的步驟進行。

（二）計算參數

根據現場力學實驗結果，模擬隧道開挖和支護過程時，采用的土體密度為2680kg·m-3，彈性模量為12.5GPa，泊松比為0.25，內摩擦角為42°，粘聚力為1.6MPa。

對于支護結構。襯砌采用混凝土材料，設計厚度為60cm，混凝土強度等級為C25。混凝土材料密度為2400kg·m-3，彈性模量為28GPa，泊松比為0.167;錨筋密度為7800kg·m-3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。

二、結果分析

（一）圍巖應力分析

伴隨著開挖工序進行，拉應力產生，圍巖受到的擾動增大，豎向應力的影響范圍逐漸擴大;當拱頂開挖后，豎向應力全部為壓應力，隧道頂部和底部的壓應力較大，出現的豎向最大壓應力在頂部，最大壓應力值為5.9Mpa。支護結構和襯砌結構施做后，隧道最大應力為3.6MPa。

（二）圍巖位移分析

每一級臺階開挖，位移都隨之而變化而逐漸擴大，支護結構施做后，圍巖位移影響范圍會相應減小，當最后一個開挖進尺完成后，底部位移的最大值為0.75mm。圍巖各部分位移都不大，證明隧道錨筋支護和混凝土襯砌較為合理。

（三）支護結構分析

錨桿承受的最大拉應力為15.4MPa，最小拉應力為2.2Mpa。襯砌頂部最大位移0.58mm，底部最大位移為0.75mm。混凝土襯砌頂部向下變形，而底部則向上變形，說明襯砌有效的抵抗了較大的圍巖變形，襯砌作用明顯。

綜上所述，在隧道施工過程中，及時施做錨桿、襯砌，能夠抑制開挖后的應力擴散。

三、結論

根據以上的分析，可以得出以下結論：

1）隧洞的開挖破壞了圍巖的原始應力場，可能會影響隧洞施工安全，因此開挖后應及時進行支護，防止發生失穩。為減少開挖對圍巖的擾動，開挖后應跟緊支護。

2）錨桿支護結構能夠承受很大一部分的圍巖壓力，為襯砌的施作和發揮作用提供了時機。

3）支護措施承受部分圍巖壓力，圍巖應力得到改善，隧洞圍巖變形減小，襯砌對圍巖變形起明顯的限制作用，保證隧洞的施工安全。今后應加強對引水隧洞開挖支護應力變形進行數值模擬，提前分析圍巖應力變形情況，采取相應工程措施，避免在施工過程中圍巖失穩、塌方造成人員傷亡和設備損失，因此隧洞開挖支護應力變形數值模擬在工程建設中具有重要的應用價值。

參考文獻

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