V類圍巖條件下岔洞穩定性數值計算分析及綜合支護評價

何 帥

(新疆水利電力建設總公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水利工程是我國經濟發展的基礎性保障，平衡水資源空間的均衡性可為區域經濟發展注入強大力量。在區域性調水工程中，隧洞是重要的輸水及交通建筑物，保障隧洞的安全穩定具有十分重要意義。隧洞工程具有長距離、穿越地質結構復雜等典型特征。因此，隧洞工程在破碎圍巖條件下，尤其是隧洞交叉部位(岔洞)位于破碎巖體區域時的穩定性研究顯得十分必要。

國內許多學者對隧洞岔洞圍巖的穩定性進行了很多有建設性的研究。馬永軍[1-2]采用FLAC3D計算軟件，基于官地水電站，對尾水岔洞永久襯砌進行了三維有限元分析，研究了襯砌的內力與變形特點，計算結果為尾水岔洞的襯砌結構細化設計及配筋設計提供了技術依據。林鵬等[3]基于彈塑性理論，運用FLAC3D有限差分軟件，計算并得出官地水電站尾水岔洞圍巖的應力分布、變形分布及塑性屈服區分布特性，據此評價岔洞的支護效果，進而提出了保證圍巖穩定的相應支護措施。郭海慶[4]等采用彈塑性有限元計算方法，基于彈塑性理論計算開挖后岔洞圍巖的應力、位移及塑性屈服范圍，同時根據計算結果提出施工、支護工程建議。錢軍剛[5]采用離散元軟件，基于彈塑性本構模型，計算并分析了尾水隧洞岔洞處圍巖的受力特性，根據計算結果對設計及施工的優化提出了建議。佘鴻翔等[6]基于黃金坪水電站尾水岔洞，針對其體型復雜、跨度大、受力條件差等特點，根據三維有限元分析成果及監測成果，優化岔洞的支護及開挖方案，為施工期岔洞圍巖的穩定安全提供了保障。

以上學者在隧洞圍巖及岔洞圍巖穩定研究上做出了一定的貢獻，其研究成果在開挖、支護及設計優化等方面均具有一定影響及意義。然而，在破碎圍巖條件下，綜合支護下岔洞圍巖的穩定特性及支護評價研究尚為不足；V類圍巖條件下，采取綜合支護措施的岔洞部分圍巖特性分析以及支護評價仍需深入。為此，本文依托于新疆某調水工程，采用有限差分數值計算軟件，計算并分析V類圍巖條件下綜合支護條件岔洞部分的圍巖應力、位移及塑性分布特性，旨在評價破碎圍巖條件下岔洞的綜合支護措施，同時基于計算結果，為岔洞施工措施、支護措施提出建議。

1 地質概況

新疆某調水工程輸水隧洞主洞與支洞的岔洞段地質條件見表1。岔洞圍巖為奧陶系黑云母石英片巖、二云石英片巖：顏色為淺灰～灰黑色，呈中厚層～厚層狀，巖層產狀：290°～300°NE∠40°～50°，片理面與巖層產狀一致，巖石片理發育，片理間距2～5 cm，巖石節理多為片理面，裂隙中等發育，裂隙間距30～80 cm，裂隙面粗糙、起伏，裂隙面絹云母化、綠泥石化現象普遍，變質程度較深。經礦物成分分析，巖石中石英含量約占50%～60%。

表1 岔洞Ⅴ類圍巖段地層巖性基本地質特性表

根據地表地質測繪并結合物探、鉆探、試驗資料綜合分析，依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)圍巖詳細分類，主要以控制圍巖穩定的巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水和主要結構面產狀五大因素之和的總評分為基本判據，圍巖強度應力比為限定判據[7]，并結合鉆孔巖石質量指標RQD、巖體結構、巖體透水率、巖體波速、巖體節理系數、裂隙平均間距、巖體彈變形模量、巖體堅固系數、巖體彈抗系數及圍巖巖爆等，綜合劃分該處巖類別為Ⅴ類圍巖。對此，針對完整性極差的隧洞交叉部位，采取傳統的二維簡化計算并確定綜合支護措施的合理性是難以達到目的的。因此，采用三維數值計算的方法，可有效分析V類圍巖條件下，復雜體型的岔洞在綜合支護措施中的應力、位移以及塑性開展情況，有利于對此類問題的開挖、支護措施進行凝練總結，研究成果旨在為相關破碎巖體下岔洞開挖及襯砌提供參考。

2 數值計算模型

2.1 本構模型

本構模型是巖土材料力學性質的經驗性描述，表達的是外載條件下巖、土體的應力-應變關系，因此本構模型的選擇是數值模擬的一個關鍵性步驟。對具體的工程分析選擇本構模型時，必須考慮到工程材料的已知力學特性和本構模型的適用范圍。只有當選擇的本構模型與工程材料力學特性契合度較高時，其選擇才是合理的。

巖土工程中，根據巖石力學特性，數值計算時常采用彈塑性本構模型。結合本工程地質條件，選用理想彈塑性本構關系，以摩爾庫倫條件作為圍巖屈服的準則。以摩爾庫倫屈服準則為剪切破壞準則，其剪切屈服面函數為[8-9]：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(1)

(2)

式中：φ為q-p應力面上的摩爾庫倫屈服面傾斜角；c為材料的黏聚力；Θ為極偏角，定義cos(3Θ)=(J3)3/q3，J3為第三偏應力不變量。

由于摩爾庫倫準則屈服平面存在尖角，為避免尖角影響，使尖角處出現塑性流動方向不唯一現象，采用橢圓函數作為塑性面，其函數表達式如下：

(3)

式中：Ψ為材料剪脹角；c0為未發生塑性變形的初始凝聚力；ε為子午面偏心率；Rmw為控制塑性勢面的參數，按下式計算

(4)

式中：e為π面上的偏心率，按下式計算

(5)

2.2 計算模型及網格劃分

V類圍巖岔洞部分埋深約為100 m。主洞為馬蹄形斷面，尺寸為11 m×12.5 m，支洞與主洞夾角為55°，尺寸為8 m×9.5 m。根據工程經驗，沿隧洞縱向和橫向，隧洞開挖影響的主要范圍為2～3倍洞徑D以內。本模型上、下、右側邊界距離隧洞開挖邊界90 m左右，大于3倍D；沿隧洞縱向模型長度為100 m，大于3倍D，模型尺寸大小滿足邊界影響要求。根據工程實際情況，建立三維有數值計算模型并劃分網格。三維數值計算模型見圖1，整個模型共劃分三維實體單元198 000個、錨桿單元約2 300個、鋼支撐單元約3 500個。巖體、混凝土采用8節點6面體實體單元模擬，錨桿采用桿件單元模擬，鋼支撐采用組合桿件單元模擬。

圖1 三維數值計算模型

2.3 計算參數及邊界條件

根據實驗室巖石標準力學試驗，得出巖石的力學參數，據此選取巖體的物理力學參數。圍巖物理力學參數見表2。

表2 岔洞Ⅴ類圍巖物理力學參數

整體模型邊界條件采用上部壓力邊界，即根據整體模型尺寸及埋深設定壓力；模型底面為全約束條件；整體模型側向面采用法相約束。隧洞采取鉆爆法施工、進尺3.2 m，主洞二次襯砌滯后掌子面300 m。隧洞開挖及支護三維數值計算模型見圖2。主洞一次支護采用11Φ25L 3.0 m/12Φ25L 3.0 m系統錨桿、2Φ25L 3.0 m鎖腳錨桿、厚15 cm C30噴射混凝土和HW125型鋼支撐支護。支洞一次支護采用厚15 cm C25噴射混凝土、Φ8鋼筋網200 mm×200 mm、16工字鋼拱架間距1.0 m。主洞及支洞均采用厚40 cm C30模筑鋼筋混凝土進行二次襯砌。

為了細致模擬隧洞開挖、支護、運行過程中產生的力學行為，共設置54個計算步(STEP)：①STEP1：初始地應力場，其值依據工程地質資料反演；②STEP2至STEP20：支洞開挖，累計進尺45 m；③STEP20至STEP54：主洞開挖，累計進尺100 m；④鉆爆 V類圍巖，每次進尺2.4 m，一次噴混凝土錨桿支護滯后于掌子面1個開挖循環。

數值計算中，隧洞圍巖穩定及支護結構受力合理判斷的參考標準：①圍巖屈服區深度不超過3.5 m，并且屈服深度都不超過錨桿長度；②錨桿上承受拉力不大于100 kN；③初支噴射混凝土壓應力不超過25 MPa，拉應力不超過1.2 MPa；④鋼支撐上的拉、壓應力不超過150 MPa。隧洞開挖及支護示意圖，見圖2。

圖2 隧洞開挖及支護示意圖

3 計算結果分析

3.1 圍巖及襯砌應力場

根據前述數值計算模型及相關材料物理力學參數，采用有限差分軟件進行三維數值計算，得出岔洞Ⅴ類圍巖在各個開挖步驟下的應力場分布情況。

由隧洞交叉處圍巖應力云圖(圖3)可以看出，圍巖應力最大區域主要分布主洞和支洞交叉處的邊墻腳附近，此部位存在局部應力集中，最大壓應力為2.72 MPa。

圖3 岔洞圍巖最小主應力分布云圖

圖4為鋼支撐軸向應力分布圖。從圖4中可以看出，其最大應力為42.87 MPa。根據錨桿軸向應力分布圖可以看出，系統錨桿的最大軸力為36.69 kN，鎖腳錨桿的最大軸力為26.33 kN。由此可以得出，鋼支撐及錨桿均滿足受力要求。

圖4 鋼支撐及錨桿受力云圖

一次支護應力分布見圖5。由圖5可知，一次噴混凝土支護拱頂和邊墻基本都處于受壓狀態。一次支護結構整體受力較均勻，但位于岔洞區有明顯的壓應力集中部位，最大壓應力為12.00 MPa。岔洞一次噴混凝土支護結構拱頂處有部分區域為受拉狀態，最大拉應力為0.69 MPa。

圖5 岔洞一次支護主應力分布云圖

3.2 圍巖位移場

主洞和支洞圍巖位移分布圖見圖6。從圖6中可以看出，經一次支護下，主洞圍巖拱頂豎向位移為1.46 cm，邊墻水平位移為0.90 cm，仰拱豎向位移1.06 cm，隧洞拱頂的變形較大，側邊墻收斂相對較小。同時，對于岔洞部位圍巖來說，靠近支洞一側圍巖位移稍大。交叉處隧道圍巖位移較小，巖體穩定性較好。計算結果顯示，針對V類圍巖條件下的岔洞圍巖，采用一次噴錨及鋼拱架支護方法可有效控制隧洞圍巖位移。

圖6 岔洞處圍巖位移分布圖

3.3 塑性區特性

岔洞處圍巖塑性區云圖見圖7。圖7中可看出，圍巖塑性區開展深度最大值位于邊墻附近為2.50 m，拱頂處為0.90 m，仰拱處為0.70 m，主要為拉伸塑性狀態和剪切塑性狀態。圍巖塑性區深度最值小為3.5 m，同時小于一次支護中錨桿長度且有效錨固長度。因此，從塑性區狀態來看，圍巖穩定性較好。

圖7 隧洞V類圍巖塑性區分布云圖

4 討 論

本文依托于新疆某輸水工程，采用有限差分數值計算方法，基于Mohr-Cuolomb理想彈塑性本構模型，對隧洞的V類圍巖岔洞進行了計算分析，根據有限差分計算結果中主應力、位移、塑性區進行了定性及定量的討論分析。

從應力計算結果可以看出，岔洞處圍巖應力最大區域主要分布在主洞和支洞交叉處的邊墻腳附近，此部位存在局部應力集中。一次支護結構最大壓應力為12.00 MPa，拉應力位于拱腳處，最大拉應力為0.69 MPa。根據噴混凝土結構的受力特性可以看出，隧洞交叉尖角區域圍巖對襯砌結構的荷載較其他部位大。由此可以得出，該部位的巖體受力特性較差，可能已發生破壞。

從位移計算結果看出，圍巖條件雖然極度破碎，但由于采取了較好綜合支護措施，圍巖整體變形較好。根據計算結果，圍巖在開挖時，宜預留3 cm變形值，以保證工程完工后有足夠的過流斷面。

根據數值計算所得圍巖塑性區結果可知，該破碎圍巖段岔洞在綜合支護條件下圍巖塑性破壞可控，并處于較為合理的范圍內，錨桿長度滿足岔洞圍巖最大塑性區深度。同時，根據云圖可以看出，隧洞交叉處圍巖尖角區已明顯發生剪-拉塑性破壞，這與噴混凝土支護結構的應力場特性相對應。

綜上所述，埋深100 m、V類圍巖條件下，隧洞交叉部位圍巖變形量、圍巖應力狀態、初支噴砼應力、塑性區分布范圍等均滿足要求，可以保證圍巖穩定。針對該部位受力及變形特性，考慮到施工與計算的差異，為防止圍巖塑性破壞產生局部破損塌落，隧洞開挖后宜盡可能及時采用噴錨支護，尖角處圍巖可采取超前錨桿、導洞先行等優化支護及開挖措施，特別是對于大型硐室交叉部位，以降低工程事故隱患、確保圍巖穩定，進而減小因圍巖坍塌造成的工程事故、人員傷亡及經濟損失。

5 結 論

本文依托新疆某大型泵站工程，采用三維有限差分數值計算方法，基于Mohr-Cuolomb理想彈塑性本構模型，對V類破碎圍巖條件下隧洞岔洞的圍巖及綜合襯砌結構進行了計算分析，得到以下結論：

1) 破碎圍巖條件下，錨噴鋼拱架綜合支護措施可有效保證岔洞穩定性。

2) 岔洞尖角部位圍巖受力特性較差，宜采局部優化施工方案，同時超前支護，盡可能及時掛網噴錨支護。

3) 岔洞部位頂拱處受到拉應力，宜采取加強支護，以防止掉塊及垮塌安全事故的發生。