滇中引水工程鞏樹隧洞洞型分析

馮亞輝，王成言，職承杰

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300202；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院，武漢 430000）

1 工程概況

滇中引水工程為Ⅰ等工程，鞏樹隧洞位于奔子欄～鎮(zhèn)蘭河段引水線路上，隧洞樁號為38+831～62+294，全長23463m，最大埋深為1236m。其中，進口至歸達段，軸向SSW182°；歸達至洛玉段，軸向SE171°；洛玉至覺掛貢段，軸向156°；覺掛貢至貢樹段，軸向正S180°；貢樹至出口段，軸向202°。各段之間以弧段相連。

隧洞沿線地表起伏較大，軸線地表高程2125～3300m不等，分別發(fā)育有歸達、洛玉、覺掛、龍池河等較大沖溝。進口至歸達段埋深淺，為54～164m，沿線地表沖溝較發(fā)育；歸達至洛玉段埋深較淺，除洛玉溝埋深最淺88m外，其余埋深為268～535m；洛玉至龍池河段埋深大，除兩端埋深較淺，隧洞埋深在751～1234m；龍池河至出口段埋深為120～600m，其中出口段埋深較淺，埋深多小于205m。

本次研究的泥質板巖段隧洞長度4392m，樁號41+461～45+853，占隧洞比例18.7%。洞室?guī)r體為泥盆系下統(tǒng)格絨組下段（D1g1）泥質板巖，多呈微新狀態(tài)，為較軟巖、板理較發(fā)育，圍巖為Ⅲ類。隧洞軸線與巖層走向小角度相交，易出現(xiàn)片幫破壞或掉塊現(xiàn)象；另外樁號41+681、42+273發(fā)育FGS-2、FGS-3兩條斷層，斷層帶巖體較破碎，圍巖為Ⅴ類。本次對不同洞型進行圍巖穩(wěn)定分析，提出圓形、馬蹄形和城門洞型的洞型比選優(yōu)化方案。

2 數(shù)值計算理論

本次分析研究采用FLAC3D軟件進行數(shù)值計算。該方法是基于Cundall P.A.提出的1種顯式有限差分法。FLAC方法在計算中不需通過迭代滿足本構關系，只需使應力根據應力-應變關系，隨應變變化而變化，因此較適合處理復雜的巖體工程問題。

2.1 運動方程

以節(jié)點為計算對象，將力和質量均集中在節(jié)點上，然后通過運動方程在時域內進行求解。節(jié)點運動方程如式（1）：

將式（1）左端用中心差分來近似，則可得到：

2.2 本構方程

應變速率與速度變量關系可寫為：

本構關系有如下形式：

式中 k為時間歷史參數(shù)；M（）為本構方程形式。

2.3 應變、應力及節(jié)點不平衡力

FLAC3D由速率來求某一時步的單元應變增量，如下式：

有了應變增量，即可由本構方程求出應力增量，各時步的應力增量疊加即可得出總應力。

2.4 阻尼力

對于靜態(tài)問題，在式（5）的不平衡力中加入了非黏性阻尼，以使系統(tǒng)的振動逐漸衰減直至達到平衡狀態(tài)（即不平衡力接近零）。此時式（5）變?yōu)椋?/p>

阻尼力為：

式中 α為阻尼系數(shù)。

3 初始計算條件

泥質板巖隧洞各項物理力學指標建議值的均值，作為計算采用的巖體力學參數(shù)，如表1。

表1 巖體力學參數(shù)取值

圖1給出了初擬的隧洞洞型比選方案，分別為圓形斷面、馬蹄形斷面和城門洞型斷面。為方便計算對比分析，分別在每種洞型的拱頂、邊墻和底板部位選定了特征點。3個洞型的比選模型，均為長×寬×高=200m×200m×200m。其中，圓形斷面的計算模型共剖分155680個單元和159657個節(jié)點；馬蹄形斷面的計算模型共剖分154396個單元和158179個節(jié)點；城門洞型斷面的計算模型共剖分了151872個單元和157662個節(jié)點。3個洞型斷面計算模型，均為垂直于洞軸線方向為X向，沿洞軸線方向為Y向，Z向與鉛直方向重合。計算時采用摩爾-庫倫本構模型。

圖1 對比斷面示意圖

4 圍巖穩(wěn)定分析

本次針對泥質板巖洞段，選取V類板巖力學參數(shù)和600m埋深的初始地應力選取IV類泥質板巖參數(shù)和1200m埋深的初始地應力，對比分析圓形、馬蹄形和城門洞型隧洞斷面的圍巖穩(wěn)定性，分別從圍巖塑性區(qū)、塑性應變指數(shù)、形及應力4個方面進行分析。

4.1 圍巖塑性區(qū)

圖2給出了不同洞型條件下的塑性區(qū)分布；表2給出了不同洞型條件下洞周特征部位的塑性區(qū)深度對比；表3給出了不同洞型條件下洞周圍巖的塑性區(qū)體積對比。

圖2 不同洞型條件下的塑性區(qū)分布

表2 不同洞型條件下洞周特征部位的塑性區(qū)深度對比

表3 不同洞型條件下洞周圍巖的塑性區(qū)體積對比

（1）圓形斷面的洞周各部位塑性區(qū)深度均分布在5m左右，其中剪切塑性區(qū)體積為5.77萬m3，拉伸塑性區(qū)體積為0.67萬m3；馬蹄形斷面的洞周各部位塑性區(qū)深度均分布在5～6m，頂拱部位的塑性區(qū)深度較小為5m，邊墻部位稍大，為5.5m左右，底板的塑性區(qū)深度最大，為6m左右，其中剪切塑性區(qū)體積為5.96萬m3，拉伸塑性區(qū)體積為0.68萬m3；城門洞型斷面的洞周各部位塑性區(qū)深度均分布在5～7.5m左右，頂拱部位的塑性區(qū)深度較小為5m，底板部位稍大，為6.5m左右，邊墻的塑性區(qū)深度最大，為7.5m左右，其中剪切塑性區(qū)體積為7.20萬m3，拉伸塑性區(qū)體積為1.15萬m3。

（2）對比分析3種洞型的塑性區(qū)計算成果，圓形斷面的塑性區(qū)分布范圍和總體積均最小，馬蹄形次之，城門洞型最大。其中，馬蹄形的邊墻塑性區(qū)深度為圓形的110%，底板部位的塑性區(qū)深度為圓形的120%；城門洞型的邊墻塑性區(qū)深度為圓形的150%，底板部位的塑性區(qū)深度為圓形的130%。

（3）對比分析3種洞型的塑性區(qū)體積，圓形斷面的塑性區(qū)體積最小，馬蹄形次之，城門洞型最大。其中，馬蹄形的剪切塑性區(qū)體積為圓形的103%，拉伸塑性區(qū)體積為圓形的101%；城門洞型的剪切塑性區(qū)體積為圓形的125%，拉伸塑性區(qū)體積為圓形的172%。

綜合上述對比分析，可以看出，圓形斷面條件下的洞周圍巖塑性區(qū)深度和塑性區(qū)總體積均最小，馬蹄形斷面的塑性區(qū)分布范圍和總體積雖然大于圓形斷面，但增加的幅度較為有限，馬蹄形和圓形條件下圍巖塑性區(qū)分布特征相近，兩種洞型條件下的圍巖穩(wěn)定性差別較小；城門洞型的塑性區(qū)分布范圍和總體積均要顯著大于圓形斷面，尤其是高邊墻附近的塑性區(qū)深度較大，圍巖發(fā)生拉伸屈服的范圍明顯增加，對圍巖穩(wěn)定性影響顯著。

4.2 圍巖塑性應變指數(shù)PSI

圖3給出了不同洞型條件下的塑性應變指數(shù)PSI分布，可以看出，圓形斷面和馬蹄形斷面的洞周PSI量值基本相同，開挖面附近均在150左右，而城門洞型斷面的洞周PSI量值較大，開挖面附近達到400，這表明城門洞型斷面在開挖后的圍巖卸荷損傷非常顯著，不利于圍巖穩(wěn)定。

圖3 不同洞型條件下的塑性應變指數(shù)PSI分布

4.3 圍巖變形

圖4給出了不同洞型條件下監(jiān)測斷面頂拱、邊墻和底板監(jiān)測點隨掌子面推進的圍巖變形，表4給出了不同洞型條件下的洞周各部位的圍巖變形對比，可以看出：

表4 不同洞型條件下洞周各部位的圍巖變形對比

圖4 不同洞型條件下的圍巖變形分布特征

（1）監(jiān)測斷面上各監(jiān)測點隨掌子面推進的圍巖變形變化特征。3種洞型條件下監(jiān)測斷面的圍巖變形變化規(guī)律基本一致，均是隨著掌子面不斷靠近監(jiān)測斷面，圍巖變形逐漸增長，當掌子面通過監(jiān)測斷面時，圍巖變形增幅最為顯著，當掌子面逐漸遠離監(jiān)測斷面時，圍巖變形增幅趨緩并最終趨于穩(wěn)定。

（2）圍巖變形分布特征。圓形和馬蹄形斷面的圍巖變形分布均較為均勻，開挖面附近圍巖沒有出現(xiàn)局部變形明顯較大的部位；城門洞型斷面則在邊墻和底板中部出現(xiàn)了較大的圍巖變形，在開挖面附近的變形梯度較大。

（3）圍巖變形量值。圓形斷面的洞周監(jiān)測點圍巖變形分布在380.5～381.3mm，不同部位的圍巖變形區(qū)別很小；馬蹄形斷面的洞周監(jiān)測點圍巖變形分布在378.5～424.1mm，其中頂拱部位最小，邊墻次之，底板部位最大；城門洞型斷面的洞周監(jiān)測點圍巖變形分布在399.7～646.3mm，其中頂拱部位最小，邊墻次之，底板部位最大。可以看出，馬蹄形斷面頂拱圍巖變形與圓形斷面相當，邊墻和底板部位的圍巖變形則稍大于圓形斷面，變形量值為圓形斷面的99.5%～111%；城門洞型斷面頂拱圍巖變形與圓形斷面差別較小，但在邊墻和底板部位的圍巖變形則要顯著大于圓形斷面，變形量值為圓形斷面的165%～169%。這表明城門洞型斷面在邊墻和底板部位的變形非常顯著，發(fā)生圍巖變形失穩(wěn)的可能性較大。

綜上可以看出，圓形斷面和馬蹄形斷面的洞型相近，不論是圍巖變形分布特征還是量值均較為接近。城門洞型斷面圍巖的變形量值要顯著大于圓形斷面，尤其是邊墻和底板部位的圍巖變形量值較大，變形梯度也十分明顯，不利于隧洞的圍巖穩(wěn)定。

4.4 圍巖應力

圖5給出了不同洞型條件下的圍巖第1主應力分布，圖6給出了不同洞型條件下的圍巖第3主應力分布，表5給出了不同洞型條件下的洞周各部位圍巖主應力對比。

表5 不同洞型條件下洞周各部位的圍巖主應力對比

圖5 不同洞型條件下的圍巖第1主應力分布

圖6 不同洞型條件下的圍巖第3主應力分布

可以看出圓形和馬蹄形斷面的洞周圍巖主應力分布都較為均勻，圍巖第1主應力分布在-6.6～-6.5MPa，量值差異較小。城門洞型斷面的圍巖在邊墻和底板部位的應力量值變化較為明顯，底板和邊墻的交匯部位應力集中程度較為明顯，第1主應力量值分布在-16～-8MPa。

5 結語

本次泥質板巖洞段隧洞，對圓形斷面、馬蹄形斷面和城門洞型斷面的圍巖穩(wěn)定性進行了計算分析，主要結論為：

（1）圓形斷面的圍巖塑性區(qū)范圍和圍巖變形量值均最小，圍巖應力分布也較為均勻，選擇圓形斷面對圍巖穩(wěn)定性最為有利。

（2）馬蹄形斷面的圍巖塑性區(qū)深度比圓形斷面增大0.5～1m，塑性區(qū)總體積增幅在5%以內，圍巖變形僅比圓形斷面增大10%左右，圍巖應力分布也較為均勻，選擇馬蹄形斷面雖然圍巖穩(wěn)定性稍差于圓形斷面，但差異不大，對圍巖穩(wěn)定性的影響較小。

（3）城門洞型的邊墻和底板部位圍巖穩(wěn)定性較差，其中圍巖塑性區(qū)深度比圓形斷面增大0.7～2.5m，塑性區(qū)總體積增幅達30%，且邊墻部位的拉伸屈服區(qū)較大；邊墻和底板部位的圍巖變形比圓形斷面增大65%～78%，且變形梯度顯著；在底板和邊墻交匯部位的應力集中較為明顯。相比而言，城門洞型斷面的圍巖穩(wěn)定性最為不利，且表征圍巖穩(wěn)定性的各項指標均要顯著差于圓形斷面和馬蹄形斷面，發(fā)生圍巖變形失穩(wěn)的可能性較大。

綜上，從圍巖穩(wěn)定性角度考慮，圓形斷面最優(yōu)；馬蹄形斷面略差于圓形斷面，但差異較小；城門洞型斷面最差，為保障圍巖穩(wěn)定，需考慮較高的支護強度。