高類別水工隧洞圍巖穩定性數值分析

馮 杰

（湖北省水利水電規劃勘測設計院有限公司，武漢 430000）

隨著經濟社會的持續發展， 全國尤其是經濟高速發展地區用電需求越來越大，在引水工程中，引水隧洞圍巖的穩定性至關重要， 關系到引水的效益和安全問題。因此，研究引水隧洞圍巖的穩定性具有重要意義。

針對引水隧洞圍巖穩定性問題，很多學者進行廣泛研究。李唱唱等［1］以新疆某引水隧洞工程為依托，利用水壓致裂法和三維水壓致裂法對低應力進行現場監測和分析，并采用離散元軟件進行模擬研究，分析深埋高地應力下引水隧洞圍巖的穩定性問題。李海寧等［2］為研究不同產狀下層狀引水隧洞在施工中圍巖穩定性特征， 以青海省某引水工程為例，建立了不同巖層傾角下引水隧洞的三維有限元計算模型，分析圍巖位移、塑性區及最大主應力的變化規律。鄭亞津等［3］結合淺埋隧洞圍巖穩定性理論，利用數值模擬軟件，對隧洞開挖過程中圍巖豎直位移和水平位移及圍巖應力特征進行分析。何小龍等［4］利用有限元軟件建立三維數值模型，分析外水壓力作用下引水隧洞的受力變形。劉杰等［5］以丹巴引水隧洞石英云母片巖為對象, 研究巖體各向異性特性及開挖卸荷作用對圍巖穩定性影響。李欣［6］、胡天明［7］、齊凱［8］、王克忠等［9］針對引水隧洞在開挖和支護過程中圍巖的穩定性進行深入分析。王志鵬［10］、張明高等［11］則是對含節理巖體的隧洞圍巖穩定性進行分析。

研究者們對于引水隧洞圍巖穩定性的分析相對較多， 但低于圍巖力學性質較差的V 類圍巖穩定性研究的相對較少，基于此，本文以某引水隧洞出水口V 類圍巖為研究對象， 根據實際工程中巖體的力學參數， 采用數值模擬的方法對該出水口圍巖的位移及第一主應力和第三主應力分布情況進行分析，結論可為相似工程案例提供借鑒。

1 工程概況

十堰市中心城區引水工程是十堰市中心城區水資源配置工程的一部分，位于潘口水庫進口段～霍河隧洞出口段，樁號0+000～4+267，設計縱坡1∶3500，線路起點高程327.50 m，終點高程326.30 m。進口段至出口段隧洞線路平面總長4.267 km， 設計流量6.7 m3/s。進水口位于距潘口水庫大壩直線距離約7.5 km 的庫區右岸岸坡，取水建筑物為豎井式進水口，底板高程327.5 m， 試驗段出水口底板高程326.3 m， 坡降0.028%。進水口設攔污柵、檢修閘門、工作閘門，工作閘門后為連接段，連接段后為無壓輸水洞。輸水洞根據巖石類別不同，采用了不同的襯砌型式，隧洞成型斷面尺寸3.0 m×3.5 m（寬×高，城門洞型斷面）。

引水隧洞總長4.197 km。根據地質圍巖分類，隧洞均為巖石洞,隧洞段均采用城門洞型斷面。Ⅲ類圍巖段隧洞前期支護采用噴錨鋼筋網支護， 后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌， 隧洞襯砌為10 cm 掛網噴錨支護加30 cm 鋼筋混凝土襯砌， 襯砌混凝土強度等級為C25。 Ⅳ類圍巖段隧洞前期支護采用局部小導管注漿加I-16a 鋼拱架支護加噴錨鋼筋網支護，后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，隧洞襯砌為25 cm掛網噴錨支護加35 cm 鋼筋混凝土襯砌。 襯砌混凝土強度等級為C25。 灌漿采用洞頂120°回填灌漿加固結灌漿。V 類圍巖段隧洞前期支護采用管棚注漿加I-18a 鋼拱架支護加噴錨鋼筋網支護， 后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌， 隧洞襯砌為30 cm 掛網噴錨支護加60 cm 鋼筋混凝土襯砌。襯砌混凝土強度等級為C25。灌漿采用洞頂120°回填灌漿加固結灌漿。 斷層帶圍巖段隧洞前期支護采用管棚注漿加I-18a 鋼拱架支護加噴錨鋼筋網支護，后期采用全斷面鋼筋混凝土襯砌， 隧洞襯砌為30 cm 掛網噴錨支護加60 cm 鋼筋混凝土襯砌， 底板為1 m 厚現澆鋼筋混凝土。襯砌混凝土強度等級為C25。灌漿采用洞頂120°回填灌漿加固結灌漿。

2 工程地質條件

引水隧洞所穿越地形地貌單元屬構造侵蝕剝蝕中—低山區。山脈大致沿東西方向伸展。區內山巒重疊，地形復雜，河谷深切，峽谷縱橫，懸崖峭壁處處可見。總的地勢由西向東、由南向北逐漸降低，但南北差異較大， 東西差異略小。 受北西向斷裂構造的控制，形成天然廊道式地形。工程區地形分水嶺一般呈近東西向，兩側的山嶺多為北北東或南南西的排列，繼續向外伸展， 屬于中山區深切割的高中山帶和中低山區的中切割帶。山脊多呈尖棱齒狀、長垣狀，基巖裸露，山坡呈階梯狀，上部山脊段和下部河谷段坡度較陡，一般坡度40°以上，中間坡度略緩，多在25°～30°之間。

隧洞出水口圍巖主要為V 類圍巖， 該段為隧洞淺埋段，隧洞穿越地層為奧陶系（O）石英絹云千枚巖、 絹云石英千枚巖夾泥質絹云千枚巖, 圍巖為軟巖，巖體完整性差，呈強風化～弱風化狀，巖層產狀為傾向30°傾角45°，巖層走向與隧洞軸線夾角一般為65°。 出口處邊坡開挖使得坡體長時間暴露于大氣中，加速巖體風化，坡面附近裂隙普遍張開，加上受降雨影響，巖體強度下降明顯，手搓易碎，局部泥化，該段地下水以基巖裂隙水賦存，水量貧乏。該段圍巖屬極不穩定巖體。巖體破碎，結構面極為發育，充填泥質薄膜或夾層，巖體完整性極差，強度低，洞室圍巖大多為軟巖，巖體結構類型多為極薄層、次塊狀或碎塊結構，圍巖變形和破壞較為嚴重。

3 水文地質條件

工程區地表水主要由堵河、霍河等構成。堵河由西南向東北流經漢江，霍河由東南向西北流經堵河，堵河是區內地表水和地下水的排泄基準面。 出口段沖溝主要有螞蟥溝， 常年都有流水， 少數沖溝為干溝，這些沖溝構成工程區地表水排泄網絡，各沖溝橫斷面均呈寬緩的“U”和“V”型，是區內地表水主要匯集排泄通道。 沿線地表水主要由大氣降水和沖溝來水補給，向河谷排泄。

工程區地下水主要包括第四系松散堆積孔隙潛水、基巖裂隙水，該區域夏季雨水充沛，具有大而急的特點，孔隙潛水主要受地表降水補給，區內基巖裂隙水主要賦存于基巖的風化裂隙和構造裂隙中，均勻性極差，依靠大氣降水與地表水補給。

根據鉆孔壓水資料顯示， 出口調整段引水隧洞圍巖的巖體透水率大多在1＜q＜5Lu 之間， 圍巖的透水性以弱透水性為主，局部裂隙發育，表現為中等透水性。根據地表與地下水水質分析成果來看，本區地表與地下水化學類型主要為重碳酸鈣、 鎂型。 根據GB50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》環境水腐蝕判定標準，水對混凝土結構、混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性、對鋼結構具微腐蝕性。

4 圍巖穩定性分析

為分析該出水口隧洞的圍巖穩定性， 根據現場的實測情況采用數值模擬的方法通過有限元軟件ANSYS 從圍巖應力分布及位移變化情況方面綜合進行分析。

4.1 模型建立及參數選取

選取出水口圍巖典型斷面（如圖1）作為建模依據，為保證模擬結果的準確性，模型的上邊界取實際地形曲面，左右邊界距離洞軸線大于5 倍洞徑，下邊界距離洞軸線大于3 倍的洞徑。 模型剖分中襯砌部分3～5 層單元格， 洞周5 m 范圍內進行網格細化處理，方便觀察洞周位移應力變化。建立隧洞及開挖完成后的模型分別如圖2 和圖3。

圖1 隧洞出水口斷面地質剖面圖

圖2 隧洞出水口模型

圖3 隧洞開挖完成后模型

隧洞模型的巖體力學參數及支護方式均與實際工程相同，詳細參數及支護方式如表1 和表2。模型選用的是笛卡爾坐標系，整體直角坐標OXY。坐標原點選在模型的左下角，水平向右為X 軸正向；豎直向上方向為坐標軸Y 軸正向。

表1 隧洞圍巖主要物理力學參數

表2 隧洞圍巖巖性及支護

4.2 位移分析

隧洞圍巖位移是評價圍巖穩定性的重要指標之一，通過對建立模型開挖處理，分析開挖完成后圍巖在X 方向和Y 方向的位移變化情況（如圖4 和圖5）。觀察發現，開挖后隧洞圍巖出現回彈現象，隧洞圍巖均向洞內方向發生位移， 巖體與隧洞距離越大出現的位移越小。 在X 方向最大位移出現在隧洞左側圍巖處， 位移值1.102 cm，隧洞右側圍巖發生的位移大小比左側略小。在Y 方向，隧洞頂部圍巖出現沉降， 沉降量1.738 cm，隧洞底部出現隆起，隆起值1.56 cm，上部圍巖的位移值略大于下部位移。

圖4 開挖后圍巖X 向位移云圖

圖5 開挖后圍巖Y 向位移云圖

為分析襯砌作用， 同時模擬隧洞在支護完成后圍巖的位移變化情況 （如圖6和圖7）。 加完支護后可發現，隧洞圍巖在X 方向和Y 方向的位移均發生減小，在X方向最大位移由原來的1.102 cm減小為0.634 cm，Y 方向最大位移由原來的1.738cm減小到0.941 cm，減小幅度分別為42.47%和45.86%。支護效果較為明顯。

圖6 支護后圍巖X 向位移云圖

圖7 支護后圍巖Y 向位移云圖

4.3 圍巖應力分析

在隧洞開挖完成后， 圍巖第一主應力和第三主應力的分布情況直接關系到隧洞圍巖的穩定性，因此， 對該輸水工程出水口隧洞圍巖的第一主應力和第三主應力分布情況進行分析。 隧洞圍巖較大的第一主應力呈“梅花狀”分布在隧洞四周（如圖8），最大的第一主應力分布在洞底和洞側壁夾角處， 最大值162.137 kPa，因此在采取支護措施時，該位置需格外注意。

圖8 開挖后圍巖第一主應力分布云圖

隧洞出水口圍巖最大第三主應力主要分布在隧洞底部（如圖9），呈圓弧狀分布，越往下第三主應力越小。隧洞4 個角的第三主應力較小，在工程實施中要注意隧洞底部的隆起狀況。

圖9 開挖后第三主應力分布云圖

根據數值模擬得出的結果， 在現場進行開挖支護時，著重對洞頂、洞底及洞底和側壁夾角處的位置進行錨固措施，保證其后期運營期間的穩定性。通過運營期的監測也發現， 隧洞出水口圍巖的穩定性較好，表明支護效果顯著。支護完成隧洞如圖10。

圖10 支護后出水口隧洞

5 結語

（1）該工程隧洞在開挖完成后，圍巖向洞內方向發生卸荷回彈，在洞頂的沉降值和洞底的隆起值普遍大于洞側壁的位移值。Y 方向最大位移值為1.738 cm，X 方向最大位移值為1.102 cm。

（2）在加完襯砌支護之后，隧洞圍巖的位移值均發生減小。X 方向和Y 方向的位移減小幅度分別為42.47%和45.86%。支護后的圍巖更加穩定。

（3）隧洞圍巖最大的第一主應力分布在洞底和洞側壁夾角處，最大值為162.137 kPa，圍巖最大第三主應力分布主要分布在洞底，在實際開挖過程中，洞底和夾角處的支護應更加注意。