巴基斯坦卡拉奇核電站排水隧洞變形模擬分析

邢鵬飛，孫余好，吳亞華，周 煌

（核工業井巷建設集團有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

近年來，我國的核電能源開發已取得了空前的發展，相繼興建了一大批世界一流的核電站，其工程條件復雜、建設規模巨大、建設速度之快為世界所矚目。由于地下輸水隧洞易于布置、節省建筑材料、施工干擾少、環境破壞少等優點而被核電站廣泛采用［1］。特別是在一些地址條件十分復雜的地區，地下輸水隧洞是唯一經濟且可行的選擇。地下隧洞的施工將不可避免地對地下圍巖的原巖應力造成破壞，圍巖應力重新分布進而導致圍巖出現塑性破壞及過大的變形［2，3］。當圍巖變形較大時將影響地下工程的正常運行，嚴重的甚至會引起隧洞的坍塌，造成重大的生命財產損失，因此有必要對隧洞圍巖進行支護，增強其強度，控制其變形。地下工程的規模、施工方法、支護結構、支護時機等同樣會影響圍巖的穩定性［4-7］。

目前，國內對于普通隧洞已經有了深入的研究，并且得出一些可以參考的工程經驗［8-11］。然而對于復雜的軟巖排水隧洞工程，國內的研究相對較少，因此需要對軟巖排水隧洞變形進行研究，把不同埋深下軟巖隧洞的變形作為研究重點。本文運用 FLAC3D 模擬隧洞的變形，分析隧洞的變形規律，給出相應的施工建議措施，為同類工程提供參考。

1 工程概況

巴基斯坦卡拉奇 k2/k3 核電廠項目位于巴基斯坦國卡拉奇市西部，阿拉伯海北岸，是我國繼恰希瑪核電工程的第二個對外援建核電項目，也是巴基斯坦國內目前最大的核電項目，屬于中國與巴方“一帶一路”合作項目。工程具體位置如圖 1 所示。

圖1 地理位置示意圖

排水隧洞采用一機一洞平排布置的方式，排水隧洞采用凈高為 6.36 m 的馬蹄形斷面。排水隧洞埋深約在 54.2～148.3 m 之間。依據 SL377－2007《水利水電工程錨噴支護技術規范》，應用新奧法原理，采用復合式襯砌，初期支護由系統錨桿、鋼筋網、250 mm 厚噴射混凝土、I18 工字鋼組成，超前小導管作為永久支護，模筑防水鋼筋混凝土作為二次襯砌，厚 900 mm。超前小導管采用外徑 42 mm、壁厚 3.5 mm 熱軋無縫鋼管，鋼管前端呈尖錐狀，尾部焊上直徑 6 mm 加勁箍，管壁四周鉆直徑 8 mm 壓漿孔，但尾部有 1 m 壓漿孔。超前小導管施工時，鋼管與襯砌中線平行以 14e仰角打入拱部圍巖。鋼管環向間距 40 cm。每打完一排鋼管注漿后，開挖拱部及第一次噴射混凝土、架設鋼架，初期支護完成后，隔一定距離再打另一排超前小導管，但應保持 1.0 m 以上的搭接長度。超前小導管及復合式襯砌如圖 2 所示。

圖2 超前小導管布置圖（單位：mm）

2 基于 FLAC3D 的數值模擬計算與研究

2.1 模型建立及參數選取

運用三維有限差分軟件 FLAC3D 進行本工程排水隧洞的變形模擬分析，為了簡化計算，本次模型計算域，豎直向上取至拱頂以上 50 m；豎直向下取至拱底以下 50 m。土體采用 Mohr-Coulomb 本構模型，襯砌采用彈性本構模型，模型位移邊界條件，模型的下邊界固定Z方向約束，左右邊界固定X方向的約束，前后邊界固定Y方向的約束，鋼拱架采用梁單元（beam）進行模擬，超前小導管及錨桿均采用錨索單元（cable）進行模擬［12-15］。

本次計算中采用的圍巖力學參數主要通過地質勘察資料所得，各支護結構力學參數主要依據 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》，結合 GB 50487－2008《水利水電工程地質勘察規范》進行適當修正，圍巖力學參數選取如表 1 所示，支護結構力學參數選取如表 2 所示。

表1 圍巖力學參數表

表2 支護結構力學參數表

計算中分別選取隧洞在不同埋深條件下（50，70，90，110，130，150 m）進行分析［16-18］；計算模型如圖 3、圖 4 所示。

圖3 模型圖

圖4 超前支護措施模型圖

2.2 不同埋深下的隧洞變形分析

2.2.1 不同埋深下隧道初期支護研究

通過數值模擬研究，獲得不同埋深下襯砌的應力云圖，如圖 5 所示。

圖5 不同埋深斷面初期支護壓應力圖

通過數值模擬研究結果得出不同埋深條件下的初期支護壓應力情況，如圖 6、圖 7 所示。

從圖 7 中可以看出，埋深約 114.7 m 時初支最大壓應力值為 12.5 MPa，接近與“C20+ 鋼支撐”材料設計強度（軸心抗壓）。從圖 6 可以看到：隨隧洞埋深增大，初支壓應力值逐漸增大，并且應力的變化率逐漸減小，初支壓應力最大值位于兩側拱腰處。

圖6 不同埋深隧洞初期支護壓應力圖

圖7 初支應力達到極限應力時的局部圖

2.2.2 不同埋深下隧道圍巖位移研究

通過開挖、地應力平衡、應力釋放、施做支護結構等步驟。得到不同埋深斷面開挖后圍巖豎向位移如圖 8 所示。

圖8 不同埋深斷面開挖后圍巖豎向位移圖

從圖 8 中可以看出，隧洞圍巖的豎向位移值遠遠大于水平位移值。隧洞出現拱底隆起與拱頂沉降現象，且隧洞最大豎向位移發生在拱頂位置處。根據模擬計算得到不同埋深隧洞拱頂沉降的絕對量值，如圖 9 所示。

從圖 9 中可以看出，隧洞開挖后隧洞四周原巖應力發生破壞，應力重新分布，圍巖出現大規模變形，隨著埋深的不斷增大，圍巖豎向位移值也在逐步增大。埋深在 50～150 m 范圍內隧洞圍巖的最大豎向位移值在 54.5～56 mm 范圍之內。綜合上述分析，通過計算分析，隧洞開挖后，初支受力達到其材料參數允許值，隧洞最大變形值大致穩定，因此建議其安全控制基準值設定為 55 mm。

圖9 不同埋深斷面圍巖豎向位移值

2.3 分析總結

通過數值模擬得出隧洞在埋深約 114.7 m 時初支最大壓應力值為 12.5 MPa，達到“C20+ 鋼支撐”材料設計強度。隨隧洞埋深的增大，初支壓應力值逐漸增大，初支壓應力最大值位于兩側拱腰處。因此在超過 114.7 m 時，要加大支護強度，確保隧洞安全與質量。

針對最不利情況，通過初支受力以及圍巖位移分析，可以看出，在原設計條件下的圍巖位移與初支受力均略超過安全范圍，需要進行適當的加強，以保證一定的安全儲備。

3 結語

通過運用 FLAC3D 軟件，對隧道變形的模擬分析，得出隨隧洞埋深增大，初支壓應力值逐漸增大，并且應力的變化率逐漸減小，在埋深約 114.7 m 時初支最大壓應力值達到設計強度。初支壓應力最大值位于兩側拱腰處。

通過計算分析，隧洞開挖后，初支受力達到其材料參數允許值，隧洞最大變形值大致穩定，因此建議其安全控制基準值設定為 55 mm。

可以看出，在原設計條件下的圍巖位移與初支受力均略超過安全范圍，需要進行適當的加強，以保證工程的質量與安全。Q