汽車荷載作用下隧洞圍巖穩定及應力應變分析

王丹妮 康文軍 任小亮

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710100)

1 工程概況

該水電站位于非洲贊比亞和津巴布韋兩國交界的贊比亞西河中游卡里巴峽谷內，水庫庫容1 840億m3，為多年調節水庫。本次擴機300 MW，擴機電站進水口位于已建成的水庫右岸。該隧洞為地下廠房、引水下平段及尾水洞施工支洞，進口位于進廠道路下部，進廠道路為地下廠房開挖主要出渣通道。支洞標準斷面8.0 m×7.0 m，進口為Ⅳ類圍巖段，上覆巖體厚度約12 m，開挖斷面9.2 m×8.1 m。

2 計算條件

2.1 計算內容

出渣車輛需從隧洞頂部通過，車輛為40 t載重汽車，考慮支護結構與圍巖巖體介質的相互作用， 將巖體視為彈塑性介質，采用Mohr-Coulomb屈服準則判斷圍巖在開挖過程中的塑性屈服狀態，初始地應力場由重力自動生成，噴混凝土、鋼支撐和錨桿采用彈性本構模型。根據隧洞的地形、地質條件，采用有限元軟件PHASE2對支洞的結構穩定進行平面有限元計算，分析應力應變分布狀態、塑性區分布范圍及支護結構受力情況。

2.2 巖體物理力學參數

Ⅳ類圍巖物理力學參數建議值見表1。

表1 Ⅳ類圍巖物理力學參數建議值

2.3 計算荷載

計算荷載考慮道路頂部汽車荷載和洞頂及側向圍巖壓力。

1)汽車荷載。根據GBJ 22—87廠礦道路設計規范，40 t載重汽車計算荷載以車隊表示，縱向排列、橫向布置按圖1所示 。按最不利工況，汽車荷載作用在該隧洞正上方，荷載按照40 t考慮，車輛軸距3.6 m，計算按照均布荷載加載：q=400/2/3.6=55.6 kN/m2。40 t載重汽車平面尺寸和橫向布置如圖1所示，汽車車隊縱向排列如圖2所示。

2)圍巖壓力。圍巖壓力由軟件根據輸入的參數自動計算。

2.4 計算模型

有限元計算模型范圍左右兩側及底部取隧洞尺寸的3倍以上，模型底部以Z向法向約束，左右兩側以X向法向約束。依據隧洞規模和工程地質條件，以及同等工程類比，擬定支護設計參數：掛網噴混凝土厚度15 cm，鋼筋網采用φ6.0鋼筋制作，網格間距20 cm×20 cm。鋼支撐布置20號工字鋼，間距1.0 m。系統錨桿φ25，長度L=4.5 m，間排距1.5 m×1.5 m。結構計算參數如表2所示。

表2 一期支護參數表

采用PHASE2有限元軟件建立模型，單元3031，節點5052，掛網噴混凝土與鋼支撐組合后共同施加，布設系統錨桿。坐標系X向為水平指向右為正，Z向豎直方向指向上為正。圍巖物理力學計算參數均采用建議值的下限值。初始應力場計算模型見圖3，一期開挖支護計算模型見圖4。本文假定隧洞開挖后圍巖應力釋放全部由支護措施承擔。

3 計算結果及分析

本文主要依據地下洞室群在開挖過程中圍巖的應力、變形、塑性區開展深度的分析，對支護方案的有效性做出合理評價。有限元計算分別對初始應力場和隧洞一期支護進行了計算分析。計算結果拉應力為“-”，壓應力為“+”。

3.1 初始應力場

初始應力場有限元計算結果：從圖5可知，Z向應力最大值達到了0.70 MPa，出現在模型底部。整個應力場以水平層狀分布，符合由重力引起的應力場的特征。

3.2 圍巖應力應變分析

隧洞一期支護應力應變分析有限元計算結果：見圖6～圖11。從應力云圖可知，隧洞第一主應力最大值達到了0.666 MPa，出現在頂拱拱腳處。第三主應力最大值達到了0.338 MPa，出現在頂拱拱腳處。開挖面支護結構均未出現拉應力。從變形云圖可知，圍巖臨空面的變形不大，水平位移最大1.21 mm，出現在直墻中部，垂直位移最大1.82 mm，出現在底板中部。

塑性區范圍見圖10，塑性區最大深度在4.3 m范圍以內，主要集中在邊墻和底板兩端部位置，故設置4.5 m長錨桿可控制塑性區的發展。

掛網噴混凝土與鋼支撐組合鋼襯和錨桿的受力狀態見圖11，錨桿編號為1～10。表3顯示了組合鋼襯每個節點的應力承載狀態，掛網噴混凝土與鋼支撐組合鋼襯最大應力為71.75 MPa，小于工字鋼20a鋼支撐最小允許應力345 MPa。表4顯示了每個錨桿的承載狀態，錨桿最大應力為59.79 MPa，小于系統錨桿φ25最小允許應力300 MPa。

表3 計算的組合鋼襯受力最值表

表4 計算的錨桿拉應力表

4 結語

1)在汽車荷載和圍巖應力耦合作用下，該隧洞一期開挖支護的最大壓應力均出現在頂拱，無拉應力區。圍巖臨空面的變形不大，水平位移出現在直墻中部，垂直位移出現在底板中部，應力應變計算結果滿足要求。

2)本文假定隧洞開挖后圍巖應力釋放全部由支護措施承擔，將一期支護措施系統錨桿、掛網噴混凝土和鋼支撐進行有限元模擬，計算的錨桿拉應力小于允許拉應力，掛網噴混凝土與鋼支撐組合受力，滿足允許應力要求，圍巖塑性區在錨桿長度的控制范圍。隧洞實際運行表明，隧洞一期支護措施是合適、有效的，保證了初期隧洞安全運行。