深部引水隧洞交岔口穩定性仿真計算分析

茹 榮，鄧浩浩

(浙江工業大學 建筑工程學院 杭州市 310014)

0 引言

在高山峽谷地區修建大型水利水電的工程中出現大洞徑、埋深大的引水隧洞。引水隧洞中交岔口處圍巖的受力情況和破壞特征尤為重要。李龍福等[1]對軟巖交叉巷道開挖圍巖穩定性進行了數值模擬研究；郭寶華等[2-3]通過數值模擬分析了圍巖強度、交岔點埋深及開挖步距等因素對交岔點圍巖穩定性的影響，比較了不同交岔形式的圍巖變形值、支承壓力集中系數以及塑性區范圍，并通過正交試驗對不同圍巖強度巷道交岔點的支護參數進行極差、方差分析，提出了適合交岔點布置的側壓系數范圍；眾多學者對開挖卸荷載引起的回彈應力和二次地應力場分布，及其穩定性開展了大量研究[4-7]。已有研究表明，深部隧洞交岔口的受力情況和應力分布及破壞過程極其復雜，現有理論還不能完全解釋實際工程中所出現的破壞現象[8-12]。

依托山西中部引黃工程，利用ABAQUS有限元分析軟件建立數值模型，對總干2#隧洞和東、西干處斷面突變的交岔口進行開挖模擬，分析了斷面突變對交岔口三角區應力場與位移場的演化規律的影響。

本引黃工程總干2#隧洞凈寬3.6m，直墻高度3.2m，拱頂圓弧半徑1.8m；東干隧洞凈寬3m，直墻高2.8m，拱頂圓弧半徑1.62m，弧度為135°；西干隧洞凈寬2.5m，直墻高2.2m，拱頂圓弧半徑1.35m，弧度為135°。西干線軸線與總干線軸線位于同一直線上，西干線沿水流方向在距分水口中心點(西干0+000.0)5m處隧洞截面凈寬由3.6m逐漸減小至2.5m。東干線與總干線交叉處以圓弧連接，圓弧半徑為3m。東干線與西干線以半徑為0.5m的圓弧連接。西干線軸線與總干線軸線位于同一條直線上，東干線與西干線軸線夾角為52°23′34″。

1 破壞機理理論分析

在隧洞開挖前，未受擾動的巖體大多處于彈性變形狀態。隧洞開挖后，開挖面上支撐壓力消失，表層圍巖處于零圍壓狀態，將出現徑向應力松弛和切向應力集中現象，局部圍巖區域將因切向應力集中而形成一個應力集中區，這將成為隧洞的危險區域，易出現圍巖破裂現象。應力水平顯著超過圍巖強度時，隧洞一定范圍內圍巖處于屈服狀態，即形成屈服區。若圍巖應力大于最大承載強度，則隧洞將會破壞。破壞通用條件可用公式表示為：

σmax≥[σy]

(1)

式中：σmax為圍巖破壞準則定義的應力最大值；σy為相應圍巖破壞準則的圍巖強度。

眾多強度理論中，莫爾-庫倫強度理論是巖石力學中應用最廣泛的強度理論之一，以巖石所處應力狀態為參量，研究其與巖石破壞的關系，當其所處應力狀態越接近極限應力狀態時，其發生破壞的可能性越高。計算采用Mohr-Coulomb屈服準則，數學表達式如下：

τ=c+σ·tanφ

(2)

式中：τ為巖土體抗剪強度；c為巖體的粘聚力；σ為破壞面上的正應力；φ為巖體的內摩擦角。

2 計算模型

2.1 模型建立及參數確定

隧洞計算范圍：沿總干縱軸線方向為Z軸，以總干、東干縱軸線交點為原點，總干引水隧洞與西干引水隧洞共取13m；總干橫截面方向為X軸，X軸負向取7m，X軸正向取10m；豎直方向為Y軸，向上取30m，向下取20m，共50m。計算模型尺寸：-7m≤X≤10m，-20m≤Y≤30m，-5m≤Z≤8m。圖1、圖2分別為交岔口隧洞模型和計算模型，表1是計算力學參數。

圖1 交岔口隧洞模型

圖2 計算模型

圍巖類別密度(kg/m3)彈性模量E(GPa)泊松比μ粘聚力C(MPa)內摩擦角φ(°)圍巖(Ⅲ類)2500100.281.040襯砌2400300.30//

2.2 網格劃分與邊界條件

模型Y=-20m底面固定，Y=30m頂面自由面，為滿足深部巖體的地應力條件，在Y=30m表面施加2.75MPa的豎向應力；X=-7m、X=+10m側面，限制其X方向位移；Z=-20m、Z=+30m側面限制其Z方向位移。整體網格劃分共30652節點、1089個六面體和17383個四面體單元，其中襯砌網格劃分見圖3。計算過程中采用表1所示的支護參數進行計算。地應力場以自重應力為主。圍巖按照彈塑性材料考慮，本構模型選用摩爾-庫倫模型；襯砌混凝土采用實體單元彈性模型。

圖3 襯砌網格

2.3 數值模擬過程

擬對引水隧洞交岔口不同應力釋放系數的各種工況進行仿真計算，總干和東、西干隧洞共分為7步開挖，先由總干開挖8m，總干開挖模擬完成后再模擬東干開挖，最后模擬西干隧洞開挖。每一步開挖的模擬過程如下：

(1)通過正演計算提取應力作為內力然后再施加重力荷載進行平衡，從而實現初始應力場的施加同時保證初始位移為零；

(2)采用“MODEL CHANGE，REMOVE”和“MODEL CHANGE，ADD”兩個關鍵詞，模擬總干隧洞土體單元的移除與襯砌單元添加，并對此單元賦予新的材料參數；

(3)重復2步驟，進行東、西干隧洞的開挖模擬。

3 計算結果分析

3.1 交岔口三角區圍巖應力分析

圖4為交岔口三角區應力等值線變化示意圖。水流由總干2#流向東、西干，在交岔口處隧洞斷面尺寸出現明顯減小，其中總干2#過渡到東干，斷面寬度由3.6m逐漸減小至3m，總干2#過渡到西干，斷面寬度由3.6m逐漸減小至2.5m。由圖4得，東干隧洞三角區附近圍巖應力變化梯度明顯比西干隧洞大，隧洞圍巖受到的拉力大于西干隧洞，主要因東、西干隧洞在交岔口處隧洞斷面均出現不同程度減小，東干斷面寬度大于西干隧洞。在施工階段，需研究三角區域圍巖受力特性及塑性區范圍大小，加強交岔口連接處及三角區外側的支護參數。對于斷面尺寸突變的交岔口三角區可采用非對稱支護結構體系，關鍵是控制大斷面隧洞三角區側的圍巖位移與穩定性。

圖4 交岔口三角區應力等值線變化示意圖

3.2 交岔口圍巖力學特性分析

隧洞開挖改變了圍巖的初始應力場，圖5是交岔口開挖襯砌完成后，東干線0+003.73斷面(X=-3)水平位移圖。由圖得，東干(X=-3)斷面圍巖最大水平位移0.90mm，發生在東干側墻中部，且處于交岔口三角區側的圍巖變形位移明顯大于隧洞另一側。圖6為交岔口開挖襯砌完成后，西干線0+005斷面(Z=-5)的水平位移。由圖得，西干線0+005斷面圍巖水平位移呈非對稱分布，靠近三角區側豎墻的水平位移最大0.68m。東、西干隧洞豎墻的水平位移均存在靠三角區側比遠離三角區側大的現象，對比東干與西干的位移情況，東干隧洞豎墻水平位移明顯大于西干。表明交岔口三角區處圍巖受到各方向位移并不是對稱分布，東、西干隧洞三角區側豎墻的位移值大于另一側；隧洞斷面越大，其三角區側更易成為結構的薄弱部位。對斷面突變隧洞的交岔口施工，三角交叉區側的巖體易破碎、易變形，受力極大，是監測、支護重點區，其中大斷面隧洞更應加強支護，尤其靠三角交叉區側。

圖5 東干線0+003.73斷面水平位移

圖6 西干線0+005斷面水平位移

3.3 交岔口襯砌力學特性分析

圖7、圖8分別為總干200+210.14～西干0.000+008、東干線0+000～0+007襯砌第一、三主應力云圖。由圖7得，襯砌最大壓應力為3.79MPa，發生在襯砌側墻腳部，最大拉應力為22.03MPa，發生在總干與東干襯砌交界面頂部。該部位局部混凝土可能出現拉裂現象，建議增加該部位混凝土受力筋，并在實際施工過程中盡量修圓襯砌避免倒角。由圖8得，襯砌最大壓應力為38.45MPa，發生在總干與西干、總干與東干襯砌交接面上，最大拉應力1.88MPa，發生在襯砌底板中部。對于交岔口隧洞頂板的斷裂，是由巖層彎曲變形時微觀轉動的不協調引起，在施工過程中應采取控制彎曲變形措施，尤其是大斷面隧洞與主洞連接處的襯砌施工。

圖7 襯砌第一主應力云圖

圖8 襯砌第三主應力云圖

4 結論

隧洞開挖卸載破壞了巖體的初始應力場，將引起回彈應力和二次地應力場重分布，圍巖局部發生應力集中；對于斷面非對稱突變的交岔口，其圍巖受力也不對稱；隧洞斷面尺寸越大，更易發生斷裂破壞，應提高支護參數與強度；交岔口三角區側圍巖受力大于隧洞另一側，可采用非對稱支護結構體系，控制交岔口三角區側豎墻的圍巖位移；交岔口斷面突變處的襯砌連接處是薄弱部位，局部混凝土會出現拉裂現象，在施工過程中盡量修圓襯砌避免倒角。