二次襯砌支護參數對圍巖穩定性影響分析

苗立業

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003）

1 工程背景

石河發源于遼寧省綏中縣加碑巖鄉大嶺根，全長67.7 km，為該縣較大的獨流入海河流。大風口水庫為石河干流上的一座以防洪和供水為主，兼具灌溉、旅游等多種功能為一體的大（2）型水利樞紐工程，壩址以上河長38.7 km，集雨面積為251 km2，設計洪水為百年一遇，設計水位為113.66 m，校核洪水標準為5 000 年一遇，校核洪水位為119.48 m[1]。為了解決綏中火電廠的用水需求，需要在水庫大壩右壩端原輸水隧洞的右側新建1 條輸水隧洞。新建輸水隧洞全長255 m，主要由進口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱等五部分組成[2]。

輸水隧洞所處區域的地質環境比較復雜，巖體的風化程度較高，且存在大量的節理裂隙，自穩性較差。結合隧洞圍巖的實際情況，在施工過程中擬采用全斷面開挖方式。為了保證開挖施工的順利進行，施工過程中采用了砂漿錨桿、鋼筋網、鋼拱架和噴射混凝土相結合的初支方式。其中，砂漿錨桿長2.0 m、直徑為25 mm，鋼拱架為I20a型鋼；研究洞段的二襯擬采用C30 混凝土，厚度為50 cm。安全性是水工隧洞施工中的首要追求目標，因此在當前的施工設計中往往為了確保施工安全，造成設計指標往往偏于保守，這顯然不利于工程經濟性的實現[3]。因此，如何兼顧工程本身的安全性和經濟性，就成為工程設計和建設中的重要課題[4]。基于此，此次研究以具體工程為背景，通過有限元數值模擬分析的方法，研究和分析二襯混凝土參數對輸水隧洞圍巖穩定性的影響，并提出相應的工程設計建議。

2 FLAC3D 有限元計算模型

2.1 軟件的選擇

FLAC 軟件為巖土工程研究領域的常用分析軟件，該軟件由美國ITASCA 公司研發[5]，共包括二維和三維兩個主要版本。此次研究采用的FLAC3D 作為軟件的三維版本是二維版本的拓展，其功能更為強大和完善，并主要用于巖土體以及相關類似材料的結構受力分析和研究，具有重要實用意義和價值。從軟件的算法來看，由于采用了混合-離散分區技術，因此使巖土體材料的結構受力分析更為便捷，顯著減小了計算的復雜性和強度，相對于其他有限元模擬軟件具有明顯的優勢，可以通過較小的計算量，獲得更為科學和準確的模擬計算結果[6]。

2.2 模型的建立

根據工程設計，大風口水庫新建輸水隧洞斷面尺寸為4.0 m×5.8 m，為典型的城門洞型設計。根據地下洞室工程的相關研究成果，地下洞室工程開挖對圍巖應力和應變的影響范圍主要集中于5 倍洞徑以內的區域，對該區域之外的影響小于5%。因此，研究中模型的水平和豎直方向的計算范圍按照洞徑的5 倍計算，長度確定為6.0 m，整個模型的尺寸為60 m×60 m×6 m[7]。結合相關研究經驗，對計算模型設置位移邊界條件：模型的底部施加全位移約束，模型的四周施加水平位移約束，模型的頂部不施加位移約束，為自由邊界條件。模型支護結構的混凝土采用線彈性模型模擬，圍巖巖體采用庫倫-摩爾本構模型模擬[8]。為充分考慮不同材料對計算結果的影響，對模型的圍巖巖體和二次襯砌混凝土、初襯噴射混凝土以及錨桿分別采用實體單元、Shell 單元和Cable 單元模擬，以提高模型的計算精度。對構建的幾何模型采用六面體8 節點單元進行網格剖分，并對隧洞周邊圍巖和支護結構進行網格加密，最終獲得35 400 個計算單元。

3 計算結果與分析

3.1 二襯混凝土厚度的影響

為研究二次襯砌混凝土厚度的影響，以獲取最佳的二次襯砌厚度，結合相關研究成果和工程實際，設計30，35，40，45，50 cm 等5 種不同厚度計算方案進行數值模擬計算，根據計算結果，分析厚度因素對圍巖穩定性的影響。

3.1.1 圍巖變形分析

利用已構建的三維有限元模型，對5 種不同二襯混凝土厚度計算方案下的圍巖位移變形進行模擬計算，并從計算結果中提取出拱頂豎向位移以及側墻水平位移的最大值，結果如圖1 所示。由計算結果可知，無論是拱頂的沉降位移還是側墻的水平位移，均隨著混凝土厚度的增加而減小。這說明，增加二襯混凝土的厚度可以在一定程度上控制研究洞段的拱頂沉降和水平位移變形。當襯砌混凝土小于40 cm 時，位移量的減小幅度較大，當厚度超過40 cm 時，減小的幅度極為有限。這說明，在二襯混凝土的厚度超過40 cm 時，施工成本仍會明顯增加，而控制位移變形的作用會明顯減弱。

3.1.2 圍巖塑性區分析

利用已構建的三維有限元模型，對5 種不同二襯混凝土厚度計算方案下的研究洞段圍巖塑性區進行模擬計算，并提取出塑性區面積的計算結果，如表1 所示。由計算結果可知，隨著二次襯砌混凝土厚度的增加，圍巖塑性區的范圍不斷減小。這說明，增加二次襯砌混凝土的厚度，有助于圍巖塑性區面積的控制。當混凝土的厚度小于40 cm 時，當前和過去剪切塑性區的面積呈顯著減小的趨勢；而厚度大于40 cm 時，雖然當前剪切塑性區域逐漸減小并消失，但是過去剪切塑性區域的面積變化并不明顯。總之，結合圍巖位移變形和塑性區計算結果，應將二襯混凝土的厚度設計為40 cm，這不僅可以保證工程的安全性，還可以有效控制施工成本。

圖1 位移隨混凝土厚度變化曲線

表1 不同襯砌厚度下圍巖塑性區面積計算結果m2

3.2 二襯混凝土強度的影響

為研究二次襯砌混凝土強度的影響，以獲取最佳的二次襯砌混凝土強度，結合相關研究成果和工程實際，設計了C20，C25，C30，C35，C40 等5 種不同強度設計方案進行數值模擬計算，根據計算結果，分析混凝土強度因素對圍巖穩定性的影響。

3.2.1 圍巖變形分析

利用已構建的三維有限元模型，對5 種不同強度設計方案下的圍巖位移變形進行模擬計算，并從計算結果中提取出拱頂豎向位移以及側墻水平位移的最大值，結果如圖2 所示。由計算結果可知，無論是拱頂的沉降位移還是側墻的水平位移，都沒有十分明顯的變化，這說明二次襯砌混凝土的強度等級對控制圍巖變形的作用極為有限。

圖2 不同混凝土強度下位移曲線

3.2.2 圍巖塑性區分析

利用已構建的三維有限元模型，對5 種不同強度設計方案下的圍巖位移圍巖塑性區進行計算，統計出如表2 所示的圍巖塑性區面積。由表2 可知，圍巖塑性區的變化受混凝土強度等級的影響極為有限，即增加混凝土強度等級，對控制圍巖塑性區的作用并不明顯。因此，結合圍巖變形和塑性區的計算結果，同時結合施工成本，建議選擇C25 混凝土進行二次襯砌的施工。

表2 不同強度等級條件下的塑性區面積計算結果m2

4 結語

綜上所述，利用數值模擬的方法，對遼寧省大風口水庫新建輸水隧洞，研究二次襯砌混凝土的厚度和強度等級對圍巖位移和塑性區的影響，獲得如下主要結論：

1）增加二次襯砌混凝土的厚度有利于圍巖變形和塑性區的控制，但是在厚度超過40 cm 的情況下，控制作用會明顯減弱；

2）增加二襯混凝土強度等級對圍巖的位移和塑性的作用極為有限；

3）結合研究成果和工程的經濟性，建議二次襯砌混凝土的厚度為40 cm，強度等級選擇C25 混凝土。