基于MIDAS的引調水工程泵站洞室穩定性分析

白崇宇

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110007)

當前我國社會經濟快速發展，居民生活用水和工業需水量也在持續增多。為構建多水源保障體系，提高調入區水資源安全保障水平，有效維系區域水源涵養和防風固土等生態功能，近年各地陸續建設了一批跨流域長距離引調水工程。為區域建設生態文明、有效緩解當地地下水超采、解決民生問題和實施脫貧致富，全面建成小康社會提供戰略性的水利基礎設施支撐。

引調水工程一般是由引水口工程、出水口工程、分水口工程、輸水管道、隧洞、泵站等建筑物組成。由于泵站投資較高、施工難度較大、施工風險較高等原因對工程的建設影響較大，是引調水工程的關鍵節點，其是否穩定直接影響到工程的運行安全，一旦失事后果極為嚴重。因此分析泵站地下廠房洞室的穩定具有重要意義。

MIDAS GTS NX是一款專用于巖土及地下工程的有限元分析軟件，已被收入《水利水電工程勘測設計計算機軟件名錄》。包含線性與非線性靜力分析/動力分析、滲流固結分析、施工階段分析等多種分析類型，具備滲流-應力/邊坡耦合分析、非線性動力分析-邊坡耦合分析等多項功能，廣泛應用于水工、地鐵、礦山、隧道等領域的有限元分析，具有良好的通用性和拓展性。

本文即結合某工程實例，應用MIDAS GTS NX軟件采用地層結構法進行有限元分析，通過模擬開挖支護過程，分析地下洞室圍巖的整體穩定性，驗證所選支護參數的合理性。對MIDAS GTS NX在水利工程中的應用與推廣具有重要的參考意義。

1 數值分析方法

地下廠房洞室的數值計算現階段采用的方法主要有荷載結構法、地層結構法及經驗類比法等。荷載結構法與地層結構法最大的區別主要是對地下洞室荷載的理解不同，荷載結構法認為洞室開挖后圍巖產生一個擾動，支護結構主要受其上圍巖的松散壓力，尚不能充分考慮結構與圍巖的共同作用。而地層結構法將支護結構和地層視為一個整體，認為地下洞室開挖引起了圍巖的應力重分布，而地下結構也與周圍圍巖共同發生變形，起到限制和約束圍巖的作用，這種計算方法比較符合地下洞室支護結構的實際受力特性。

地層結構法能模擬條件復雜的地層狀況，不受地層形狀、材料不均勻性的限制；滿足靜力平衡條件、變形協調準則；能輸出土體內力、變形等全部信息，在模擬時自動輸出變形應力，簡便快捷。因此，地層結構法在地下廠房洞室的支護結構設計中得到了廣泛的應用與推廣。

2 工程概況與地質條件

2.1 工程概況

某跨流域引調水工程泵站由地下廠房、出水井、電梯井和施工支洞組成。其中地下廠房為矩形，長81.4m，寬18m，高21m。廠房頂巖體厚度一般為67～90m，大于廠房3倍高度，為深埋地下廠房。地下廠房北側通過進水隧洞(CF主洞)與供水工程壓力隧洞調壓井相連，地下廠房西側通過出水平洞與出水豎井(井徑4m)相連，地下廠房北西端墻外設置一電梯井(井徑10m)。本地下廠房共設6條施工洞和1條排水廊道。地下廠房及建筑物布置如圖1所示。

圖1 地下廠房及建筑物布置圖

2.2 地質條件

本工程場地地貌類型主要為丘陵、沖溝及山前階地。丘陵地貌坡度較緩，坡度在15°～20°之間，山頂植被以低矮灌木為主，山麓以松樹為主。本場區發育2條沖溝，一條東西走向，溝口寬約14.0m，溝深約6.6m，溝底基巖裸露，勘察期間溝里無地表水，沖溝兩側樹木茂密，多為高大松樹；另一條南北走向沖溝，溝口寬一般約20.0m，溝深約8m，溝底和溝壁植被較發育，多為低矮草木，溝底為沖洪積砂礫石層。山前階地分布在場地西北部，地勢起伏較大，地表大部分為旱田地。

場地內地層據鉆孔揭露和工程地質測繪結果，主要為新生界第四系全新統坡洪積和沖洪積物、中生界侏羅系北票組砂礫巖和侵入巖安山斑巖。地下廠房段圍巖大部分為Ⅲ類，頂拱局部Ⅳ類。

3 洞室數值模型建立

3.1 洞室開挖方案及參數選取

根據圍巖的穩定程度，地下廠房洞室的跨度等條件，可以把洞室的開挖方法分成全斷面法，臺階法，分步開挖法。本工程根據已建工程經驗，初步確定了地下廠房洞室的施工開挖順序見表1。將整個洞室開挖施工分為6期，第1期對排水廊道進行全斷面開挖，之后5期按從上到下的順序開挖并及時進行噴錨支護。噴射混凝土采用C30，厚度0.2m，錨桿采用φ25，長4m。地下廠房洞室施工開挖示意如圖2所示。

表1 地下廠房洞室施工開挖方案

圖2 地下廠房洞室施工開挖示意圖

選取正確的巖土體、支護結構物理力學參數直接決定洞室穩定性分析。依據鉆孔巖芯鑒定、鉆孔壓水試驗、巖石物理力學試驗等，參考相關規范，結合地區經驗，給出各類圍巖及支護結構物理力學指標見表2。

表2 圍巖、支護結構物理力學參數表

3.2 計算范圍的確定及本構模型

為了得到準確的計算結果，將地下廠房洞室的模型向外做了一定程度的拓展，模型底寬設定為218m，高設定為182.6m。地下廠房洞室模型的兩側邊界設置x方向約束，底部邊界設置x、y方向約束，頂部邊界自由拓展至地表。

經典莫而-庫侖模型綜合了庫侖破壞準則和胡可定律，是理想的彈塑性模型，其使用方便，經常應用于隧道、邊坡、堤防、土石壩等穩定性分析。而各向同性-彈性模型是應力與應變直接成線性比例的彈性模型，鑒于沒有界定屈服值，適用于較巖土體材料強度大的多的鋼材、混凝土結構等。

本工程即使用經典莫而-庫侖的本構模型、平面應變單元模擬圍巖，各向同性-彈性的本構模型、梁單元模擬噴射混凝土，各向同性-彈性的本構模型、植入式行架單元模擬錨桿，利用MIDAS GTS NX進行數值模擬分析。

3.3 模型的建立

創建準確的地下廠房洞室模型對穩定分析起著至關重要的作用。計算模型采用Ⅲ類圍巖斷面及Ⅳ類圍巖斷面進行模擬，整體模型共劃分為24910個單元，20620個節點。計算網格模型如圖3所示。具體操作步驟為：在madis軟件中新建y軸作為重力方向的2D模型→將地層AutoCAD文件導入→圖形交叉分割→建立巖土體、支護結構的材料及屬性→對地層輪廓線、廠房邊界線進行尺寸控制→依據尺寸控制劃分網格→添加重力荷載→添加邊界約束條件→設置分析施工階段→設置分析工況等。

圖3 計算網格模型

模型建立過程中需注意的是：導入的dwg文件需以米為單位，在坐標原點附近；通過在工作目錄樹模型表單中雙擊工作平面中xz(0，-1，0)按鈕，確保工作平面處于xz平面上。

4 模擬結果分析

4.1 位移、應力計算結果

求解運行后，軟件可以直接計算出位移及應力結果。位移結果如圖4所示，Ⅲ類圍巖斷面水平向最大位移為1.562mm，豎向最大位移為4.316mm。Ⅳ類圍巖斷面水平向最大位移為17.92mm，豎向最大位移為10.01mm。

圖4 水平、豎向位移云圖

Ⅲ類圍巖斷面洞室周圍巖體壓應力值范圍主要為1.2～7.4MPa，底板與側墻交角處最大值7.34MPa，由第一主應力云圖可知，泵站底部巖體局部受拉應力最大值為0.96MPa。Ⅳ類圍巖斷面洞室周圍巖體壓應力值范圍主要為1.0～5.0MPa，底板與側墻交角處最大值4.91MPa，由第一主應力云圖可知，泵站底部巖體局部受拉應力最大值為0.29MPa。應力結果如圖5所示。

圖5 第一、第三主應力云圖

4.2 結果合理性分析

分析計算云圖，無論是水平向最大位移還是豎直向最大位移，Ⅲ類圍巖均小于Ⅳ類圍巖。Ⅲ類、Ⅳ類巖體整體受壓應力，應力值隨埋深的增加相應增大，底板與側墻交角處有小范圍的壓應力集中，但均小于巖石的單軸飽和抗壓強度40～50MPa(Ⅲ類圍巖)、30MPa(Ⅳ類圍巖)。泵站底部巖體局部受拉應力，但應力值較小，亦小于巖石的抗拉強度6.5MPa。

計算結果表明，Ⅲ、Ⅳ類圍巖計算斷面的位移場分布和應力場分布規律合理，地下廠房洞室不會產生塑性屈服，安全裕度較大。按施工順序開挖及支護完成后處于應力穩定狀態。所選支護方案能夠滿足地下廠房洞室整體穩定的要求。

4.3 技術難點及解決方案

有限元中的網格由一系列的單元組成，計算時荷載等信息就是通過單元傳遞，只有保證單元耦合才能保證計算結果的準確。如何使支護結構單元與周圍圍巖單元耦合決定了計算結果是否準確。具體解決方法為：圍巖采用2D平面應變單元模擬，噴射混凝土支護結構采用1D梁單元模擬，錨桿結構采用1D植入式行架單元模擬。

網格密度對計算結果有一定影響，網格過密則耗費大量的計算資源，而網格過疏則會造成較大的誤差。網格密度大于一定程度后，單純增加密度已不能再大幅度提高計算精度。先以合適的密度計算一次，再加密網格2倍，若兩次計算結果差異不大，則認為網格密度選取合適。本模型中網格尺寸控制在1m。

準確的模擬開挖支護過程對穩定分析起著至關重要的作用。通過靜力邊坡分析菜單下施工階段管理命令，添加施工階段組并命名為泵站地下廠房施工，階段類型選擇應力階段。定義施工階段中通過激活鈍化數據建立廠房洞室開挖、噴射混凝土、錨桿等各施工階段。為確保算得的位移為開挖支護引起的位移，需在第一階段地應力平衡后點擊位移清零選項。

5 結語

(1)應用巖土有限元分析軟件MIDAS可以高效便捷地對泵站地下廠房洞室的開挖支護各環節進行數值模擬，可以展示不同施工階段的應力、應變情況，并給最大應力及最大位移產生的位置。

(2)本文旨在通過某擬建泵站，實例詳細說明MIDAS在地下洞室施工數值模擬分析中的應用，為類似地下工程提供一種確定設計參數的方法。研究圍巖物理力學參數主要通過巖土力學試驗，并沒有考慮斷層、節理、軟弱夾層等不利因素的影響。在實際施工過程中，想準確的反映圍巖的受力狀態，更應該與實際開挖暴露情況相結合，加強現場監測，及時調整支護參數，保證工程安全。