基于FLAC 3D的引水隧洞圍巖穩定及支護結構研究

李 勇

(忻州水利建設投資有限公司，山西 忻州 034000)

水工隧洞結構的圍巖穩定性研究直接關系到水工隧洞結構施工安全性和結構穩定性。為了保證周圍巖體的穩定，大量的工程支護結構被應用于維護圍巖的穩定，如：初期混凝土噴射支護、二次襯砌結構支護以及錨桿支護等，定量評價支護結構不僅可以有效保證圍巖結構的穩定性，還可以提高工程的經濟性和可行性。

圍巖穩定性一直是亟需解決的工程問題。目前，已經有大量的專家學者做了相關的研究：張子新等[1]采用塊體理論赤平解析法對礦井圍巖進行研究，并針對相應的工程問題提出了解決方案；張玉軍等[2]通過構建數值分析模型，分析了地下洞室結構圍巖的穩定性，并對其及進行量化評價；吳世勇等[3]以某實際水工隧洞工程為研究對象，建立數值分析模型，分析圍巖結構的應力場、位移場、塑性區分布等圍巖特征；姜弘道等[4]使用BESDAP程序對某水利工程地下隧洞群的圍巖穩定性進行分析，分析了洞群間相互作用對圍巖穩定性的影響作用；徐干成[5]利用黏彈性邊界元理論分析錨桿支護對圍巖結構穩定性的作用，并對其進行評價；楊典森等[6]使用有限差分法分析了某水工隧洞結構的圍巖穩定性，并計算支護結構的位移和變形狀況；趙成龍等[7]驗證了非連續變形分析法對于地下結構的穩定性分析具有很好的效果；姚池等[8]利用改進剛體彈簧法分析了圍巖結構的受力、變形狀況，并與實際工程監測數值進行比較，驗證了該工程研究方法具有很好的準確率和適用性。本文利用FLAC 3D對某水利工程建立水工隧洞數值分析模型，定量分析隧洞襯砌結構對圍巖穩定性的影響。

1 模型建立

本研究以我國某大型引水工程水工隧洞為研究對象，利用FLAC 3D對該水工隧洞建立三維數值分析模型。

該水工隧洞工程襯砌內為凈空寬4m、高5.8m的拱洞型結構，頂部為180°轉角的拱形結構，兩側為豎向直墻，底板采用水平底板，該襯砌結構厚度為0.40m。Ⅲ級圍巖主要分布在地下170m以下。Ⅳ級圍巖分布在150～170m以下。150m以上主要為Ⅴ級圍巖。

建立數值分析模型，研究范圍為隧洞5倍的寬度和高度，網格單元采用8節點六面體單元，該模型共有37830個網格單元，設置41730個單元節點，模擬單元的模型選擇和邊界約束情況見表1，構建的模型如圖1所示。

圖1 計算模型

表1 模擬單元的模型選擇和邊界約束情況

初次噴射混凝土采用的是C20混凝土，二次襯砌采用的是C25混凝土，打入圍巖的錨桿采用的是直徑25mm的砂漿錨桿。圍巖結構、襯砌混凝土結構、錨桿結構的計算參數見表2—4。

表2 圍巖結構計算參數

表3 襯砌混凝土結構計算參數

表4 錨桿支護結構計算參數

2 工況設計

為了更加充分地研究該水工隧洞圍巖穩定及支護結構，模擬不同階段圍巖應力進行施工，模擬的工況見表5。

表5 模擬工況

3 模擬結果分析

3.1 應力分布分析

對水工隧洞模型在Ⅲ類圍巖條件下進行模擬，得到水工隧洞模型在不同種工況下的應力分布圖(最大主應力、最小主應力)如圖2—3所示。

由圖2可得，在圍巖未進行支護時，隧洞周圍圍巖出現的均為拉應力，且拉應力值較小，隧洞周圍最大拉應力為0.035MPa；對隧洞周圍圍巖進行初期噴射混凝支護后，在水工隧洞拱頂位置處的拉應力逐漸消失，進而變化為較為集中的壓應力，而隧洞的側墻、底板的應力變化較小，側墻、底板的最大主應力仍為拉應力，其值增大約0.11MPa，而在隧洞周圍圍巖應力釋放區域的最大主應力略有降低，說明初次襯砌施工有利于提高圍巖的整體穩定性；對隧洞周圍圍巖進行二次襯砌支護后，水工隧洞拱頂位置處的壓應力作用范圍逐漸增大，但隧洞的側墻、底板的應力變化仍較小，最大主拉應力減小為0.006MPa，說明二次襯砌施工進一步提高圍巖的整體穩定性。

由圖3可得，在圍巖未進行支護時，水工隧洞周圍出現較大范圍的應力釋放圈，側墻與底板的交接位置處出現了兩塊應力集中點，最小主應力分布中，最大壓應力值為13.7MPa；對隧洞周圍圍巖進行初期噴射混凝支護后，應力釋放圈略微減弱，但效果不明顯，且側墻與底板的交接位置處的壓應力集中現象仍然存在，但最大值為13.0MPa，應力集中現象緩解效果不明顯；對隧洞周圍圍巖進行二次襯砌支護后，應力釋放圈有所減小，側墻與底板的交接位置處的壓應力集中現象有所緩解，最大壓應力值為10.8MPa，應力集中現象明顯減弱，圍巖結構的穩定性有效提高。

3.2 位移分布分析

對水工隧洞模型在Ⅲ類圍巖條件下進行模擬，得到水工隧洞模型在不同種工況下的各方向和各結構位移分布如圖4—6所示。

由圖4—6可得，隧洞開挖后，不同工況條件下圍巖結構的位移變化規律基本相同，在隧洞結構的左、右兩側中間部位，沿著X方向水平位移是最大的；在隧洞結構的拱頂、拱底兩側的中間部位，沿著Y方向豎向位移是最大的；在工況1為隧洞未進行支護時，隧洞結構在底板、左右兩側豎墻、拱頂的最大位移分別為4.17、4.73、3.83mm，工況2為隧洞進行初期噴射混凝土支護完成時，隧洞結構在底板、左右兩側豎墻、拱頂的最大位移分別為3.93、4.34、2.76mm，初期噴射混凝土支護可以降低隧洞局部結構位移的5.76%、8.25%、27.94%，初期噴射混凝土支護可以有效降低水工隧洞結構的位移，其中，對拱頂位置的作用最為明顯；工況3為隧洞進行二次襯砌結構支護完成時，隧洞結構在底板、左右兩側豎墻、拱頂的最大位移分別為3.47、3.74、2.37mm，初期噴射混凝土支護可以降低隧洞局部結構位移的11.70%、13.82%、14.13%，對于隧洞組成結構的位移進一步降低，使得各組成部分的位移保持在規定的安全值范圍內。

圖4 沿著X方向的位移

圖5 沿著Z方向的位移

圖6 各結構位移分布

3.3 結構塑性區分布分析

對水工隧洞模型在Ⅲ類圍巖條件下進行模擬，得到水工隧洞模型在不同工況下，各組成結構的塑性區分布如圖7所示[9-12]。

由圖7可分析得出，工況1為隧洞未進行支護時，隧洞結構巖體周圍出現有較大范圍的塑性區，左右兩側豎墻的塑性區與底板、拱頂未連接貫通，左右兩側豎墻、拱頂主要受到的是剪切破壞，未出現受拉破壞區，圍巖結構的穩定性較差；工況2為隧洞進行初期噴射混凝土支護完成時，該狀態下，拱頂的塑性區大幅減少，左右兩側豎墻的塑性區也有明顯減少，底板處的塑性區未出現明顯變化，當前圍巖結構相較于工況1時有所穩定，剪切破壞區域僅存在于左右兩側豎墻，初期噴射混凝土支護可以有效限制塑性區域的發展；工況3為隧洞進行二次襯砌結構支護完成時，此時塑性區域僅存于左右兩側豎墻和底板局部區域，拱頂的塑性區基本消失，圍巖結構在二次襯砌結構的限制下，基本沒有剪切破壞區域的產生，圍巖結構的穩定性進一步提高，此時塑性區的發展得到很好的抑制。

圖7 各結構塑性區分布

4 結論

利用FLAC 3D對該陜西省某大型引水工程水工隧洞建立三維數值分析模型，通過分析隧洞結構的應力場、位移場、塑性區分布得到以下結論。

(1)支護結構可以有效改變圍巖結構的受力狀況，使得為圍巖結構的拉應力逐漸減小，進而轉化為壓應力，使得圍巖受力更為合理，同時，有效緩解側墻與底板的交接位置處的壓應力集中現象。

(2)支護結構可以有效降低圍巖結構的位移變形，初期混凝土噴射可以使得底板、左右兩側豎墻、拱頂的最大位移降低5.76%、8.25%、27.94%，二尺襯砌結構可以使得底板、左右兩側豎墻、拱頂的最大位移降低11.70%、13.82%、14.13%。

(3)支護結構可以有效抑制水工隧洞圍巖結構塑性區的發展，減小剪切破壞區域范圍，有效提高圍巖結構的穩定性。