引黃工程下穿段隧洞安全穩(wěn)定性有限元分析研究

張 偉

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030000)

1 工程概況

山西省中部引黃工程自天橋水電站庫(kù)區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個(gè)縣(市/區(qū))，中部引黃工程總干 3#隧洞穿越樁號(hào)為改 47+968.01-48+034.3，全長(zhǎng) 66.29m，設(shè)計(jì)縱坡 1/3800[1]。于“改 48+001.09”處下穿天古崖隧道樁號(hào)K38+506.76)處交叉，交叉角度 125°。交叉段采用隧洞穿越，隧洞交叉段為巖石洞段，采用城門(mén)洞形斷面，凈寬 4.2m，凈高 5.1m，直墻段高 3m，設(shè)計(jì)水深3.48m，頂拱中心角 180°。

2 有限元法計(jì)算原理

2.1 最小位能法

有限元法中最小位能原理表示為：載荷作用下的結(jié)構(gòu)體總位能因受力變形的應(yīng)變能U和外荷載位移位能Wp之和，當(dāng)結(jié)構(gòu)體靜力平衡時(shí)，該總位能為極小值，表達(dá)為：

Π=U+Wp

(1)

δΠ=0

(2)

從δΠ=0可得各結(jié)點(diǎn)的荷載-位移平衡方程，解出結(jié)點(diǎn)未知位移后可求出各單元的應(yīng)力變形[2]。

2.2 非線性方程組分析

分析采用變Kp的迭代公式：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 引黃工程下穿隧洞安全數(shù)值模擬分析

3.1 圍巖力學(xué)參數(shù)

襯砌方式：隧洞全斷面采用 C25 鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚 35cm；徑向設(shè)φ25、長(zhǎng)2m 的系統(tǒng)錨桿，梅花形布置，間距 1m。圍巖物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[3]。

3.2 計(jì)算模型

全斷面開(kāi)挖施工三維模型圖見(jiàn)圖1。

圍巖采用三維實(shí)體單元，襯砌采用板單元，錨桿采用二維植入式桁架單元模擬。計(jì)算模型水平方向?qū)挾热?100m，豎直方向向下取 20m，向上100m為洞口淺埋段至地表[4]。全斷面開(kāi)挖施工模擬圖見(jiàn)圖1，天古崖隧道考慮列車(chē)荷載三維模型見(jiàn)圖2。

表1 圍巖各物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 全斷面開(kāi)挖施工三維模型圖 圖2 天古崖隧道考慮列車(chē)荷載模型圖

針對(duì)引水隧道深埋 IV 級(jí)圍巖進(jìn)行全斷面法施工，進(jìn)尺取 0.7m。施工模擬時(shí)凍結(jié)相應(yīng)區(qū)域巖體單元模擬開(kāi)挖，激活加固區(qū)域材料模擬錨桿加固和單元模擬噴射混凝土[5]。

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算，引水隧道開(kāi)挖施工時(shí)隧道圍巖變形見(jiàn)圖3，引水隧道襯砌變形見(jiàn)圖4，開(kāi)挖和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力見(jiàn)圖5和見(jiàn)6，隧道開(kāi)挖施工和襯砌最大主應(yīng)力見(jiàn)圖7和圖8。

圖3 引水隧道開(kāi)挖施工圍巖豎向變形云圖 圖4 引水隧道開(kāi)挖施工圍巖橫向變形云圖

圖7 引水隧道開(kāi)挖施工圍巖最大主應(yīng)力云圖

圖8 引水隧道開(kāi)挖施工襯砌最大主應(yīng)力云圖

在引水隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，既有隧道和引水隧道變形計(jì)算結(jié)果如表2所示。當(dāng)考慮天古崖隧道列車(chē)荷載作用時(shí)引水隧道和既有隧道變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 引水隧道開(kāi)挖施工既有隧洞最大變形值

表3 引水隧洞開(kāi)挖施工隧洞最大變形值

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，主要結(jié)論如下：

1)采用全斷面法開(kāi)挖引水隧道過(guò)程中，拱頂沉降約為 3.33mm，向地表衰減慢，拱底隆起約為 3.08mm，涉及范圍較廣，施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，確保施工安全。

2)采用全斷面法開(kāi)挖引水隧道過(guò)程中，圍巖收斂變形較大，水平變形相對(duì)收斂約為 10.83mm。所以，開(kāi)挖隧道應(yīng)加強(qiáng)兩處支護(hù)，錨桿及時(shí)跟進(jìn)，初期支護(hù)緊跟開(kāi)挖工序。

3)采用全斷面法開(kāi)挖引水隧道過(guò)程中，對(duì)既有的天古崖隧道有一定的影響，未考慮列車(chē)荷載時(shí)，其最大豎向變形拱頂下沉約 0.84mm，拱底沉降約 0.82mm，最大橫向變形左側(cè)約 0.16mm，右側(cè)約 0.15mm，變形較小，影響范圍較窄。

4)考慮既有隧道列車(chē)荷載作用，引水隧道變形最大增大 20%左右，既有隧道變形最大增大 25%左右，因此，引水隧道的爆破開(kāi)挖施工要盡可能避開(kāi)既有隧道車(chē)輛運(yùn)行階段。

4 結(jié) 論

文章基于有限元法的最小位能原理，結(jié)合引黃工程總干 3#隧洞下穿鐵路段建立數(shù)值仿真模型，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出采用全斷面法開(kāi)挖引水隧道，新建隧洞拱頂沉降向地表衰減慢，圍巖收斂變形較大，對(duì)天古崖隧道有一定的影響。從隧道變形值來(lái)看，基本符合鐵路隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求，但引水隧道的爆破開(kāi)挖施工要盡可能避開(kāi)既有隧道車(chē)輛運(yùn)行階段。