水工隧洞圆形洞口开挖形式的围岩稳定性分析研究

丁新潮，刘斌

（1.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安 710065；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

长期以来，工程上对大型隧洞施工的快捷、安全性提出了越来越高的要求。隧洞开挖的施工方法受到设计者和施工者的密切关注，以前施工者根据岩体质量、洞室断面的大小、岩体的分层分块等特点确定最合理的施工方法，目前数值模拟计算可准确获取隧洞位移及应力变化，对具体施工过程中的开挖方法的选择有重要的指导意义[1-4]。本文以某水工隧洞圆形进水口段为研究对象，根据工程的实际需要，拟对进水口段围岩与结构系统进行考虑围岩开挖过程的系统分析非线性三维有限分析研究，研究圆形进水口段在全断面开挖和上下半洞台阶开挖步序施工过程中的围岩位移场、应力场以及塑性区分析特征。为该圆形进水口段推荐最适合的开挖方法。

1 工程概况

某水电站工程枢纽主要由面板堆石坝、右岸溢洪道、泄洪放空洞和右岸地下电站厂房组成，以发电为主。水库总库容16.22亿m3，最大坝高211 m，装机容量2200 MW，工程规模为Ⅰ等大（1）型工程。挡水、泄水及引水发电等主要建筑物工程级别为1级，下游消能防护及永久性次要建筑物为3级。泄洪放空洞进水口位于右岸二长岩岩体内，属浅埋式洞式进水口。溢洪道引渠形成3247.0 m开挖大平台后，进水口顶拱最小垂直埋深约24.0 m，左侧围岩最小厚度约40.0 m，右侧距电站进水口引渠底板高程3223.2 m约30.0 m。

进水口段（右洞0+000.00～右洞0+042.00 m）为中生代二长岩，岩体为弱下风化，隧洞天然埋深为65.0～78.0 m，工程开挖后实际埋深为24.0～43.0 m。围岩级别为Ⅲ1类，基本满足隧洞成洞要求。但二长岩中断层及裂隙较发育，局部存在不稳定的块体组合。泄洪隧洞进口处岸坡主要由3种岩性组成，下部为三叠系变质砂岩及中生代二长岩岸坡，顶部为第三系砾岩岸坡，砾岩不整合于下伏二长岩之上。进口洞脸边坡上部第三系砾岩位于强风化岩体内，总体看该处属Ⅳ级岩体岩，边坡整体稳定；下部位于强～弱风化二长岩内，岩体级别为Ⅳ～Ⅲ2级，边坡整体稳定。

2 计算模型的建立

使用有限元软件abaqus，建立三维非线性有限元分析模型。三维有限元网格单元边长总体规定为：钢筋混凝土衬砌结构0.2～0.3 m；锚杆加固区域岩体1.0～2.0 m；外围岩体2.0～6.0 m。

2.1 计算范围

1）沿水流方向，分析范围取为进水口段开挖洞径约4.0倍。进水口段最上游边界向上游取45.0 m，进水口段最下游边界向下游取65.0 m。

2）竖直方向（高程），底部分析区域边界，取泄洪放空洞底板最低处以下50 m，约为4.5倍泄洪放空洞进水口段开挖洞径，向上取为地表。

3）垂直于水流的水平方向上。对于左边界，上部取至原始地面边界自由面，下部取为4.0倍洞径，约为60.0 m。对于右边界，取为4.0倍洞径，约为60.0 m，引水渠开挖后形成临空面。

2.2 有限元模型

该进口整体为圆形过水断面和圆形开挖断面。过水断面为直径20 m的圆形，按照双曲线缩小后到桩号，过水断面为直径12 m的圆形断面。整体分析模型用于模型围岩体，如图1及图2所示。

图1 圆形进水口方案衬砌结构体型图Fig.1 The lining structure of the circular water inlet

图2 围岩区域有限元网格Fig.2 Finite element mesh of the surrounding rock area

2.3 围岩参数

根据实际工程地质条件以及参照类似的工程围岩力学参数选取，如表1和表2所示。

表1 围岩体物理力学参数取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock

表2 围岩体物理力学参数取值表Tab.2 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock

3 围岩稳定性分析

分析在相同支护条件下，圆形进水口型式全断面开挖、上下半洞台阶开挖步序方案下的围岩应力场，为方便说明问题，在此仅选出围岩竖向位移、第一主应力以及塑性区等部分代表性结果进行分析，分析两种不同开挖步序下该段隧洞围岩稳定性状。

3.1 围岩位移对比分析

同一支护条件下圆形方案全断面开挖、上下半洞台阶开挖支护后围岩竖直方向整体位移云图，如图3所示。

根据此静力分析结果，在相同的支护条件下，全断面开挖后在竖直方向上最大变形为8.05 mm，出现进水口段顶部；若采用上下半洞开挖，相应的最大变形为8.66 mm，两种开挖步序方案围岩稳定性均可得到保证。上下半洞开挖方案的拱顶位移较全面增加比例为7.58%。

3.2 围岩应力对比分析

图4给出了同一支护条件下圆形方案全面开挖、上下半洞台阶开挖支护后围岩第一主应力云图。

图3 全面开挖与上下半洞台阶开挖支护后围岩竖直方向整体位移云图Fig.3 The vertical displacements of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method

图4 全面开挖与上下半洞台阶开挖支护后围岩第一主应力云图Fig.4 The max principal stress of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method

在相同的支护条件下，全断面开挖后第一主应力最大值为0.54 MPa（拉），若采用上下半洞开挖，第一主应力最大值为0.59 MPa（拉），从最大拉应力方面，两种开挖步序方案下围岩均稳定。两方案相互比较，上下半洞开挖方案围岩最大拉应力较全面增加比例为9.26%。

3.3 围岩塑性区分布对比分析

相同的锚喷支护参数条件下圆形方案全面开挖、上下半洞台阶开挖支护后泄洪放空洞围岩塑性区分布如图5所示。

图5 全面开挖与上下半洞台阶开挖支护后围岩塑性区分布图Fig.5 Plastic strain area of the surrounding rock after the supporting for the full-face tunneling method and upper and lower half hole step excavation method

从图5可见，采用全面开挖步序方案进行施工，洞周围岩的塑性区大深度有4.0～4.5 m，对于上下半洞台阶开挖支护后泄洪放空洞围岩塑性区最大深度4.5～5.0 m。两开挖步序方案比较，上下半洞台阶开挖后围岩塑性区较全断面略大。两种方案下，塑性区最大深度均不大于系统锚杆长度。

4 结论

采用abaqus有限元分析对水工隧洞圆形进水口全断面开挖、上下半洞台阶开挖步序方案下围岩稳定性分析表明，两种开挖步序下，围岩均处于稳定状态，两方案对比，总体上全断面方案的洞顶位移、围岩最大拉应力以及塑性区深度均较上下半洞开挖稍小，在此静力分析方法下，全断面开挖略优于上下半洞开挖。

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