水布垭水电站地下施工洞室稳定性分析

胡章新 陈燕华

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443000)

目前有大量学者对隧道的受力特征[1]、围岩失稳破坏机理[2]、治理措施[3]等方面开展了大量的理论研究、数值模拟和试验分析。Li Dongliang等通过数值模拟的方法对偏压结构受力特征等参数对结构的影响进行了研究；在模型试验方面，雷明锋等对偏压隧道破坏及围岩应力分布进行了试验模拟和分析，揭示了隧道围岩中关键裂缝为浅埋侧的拉伸裂缝，隧道初支形成以拱顶为顶点，以边坡为底的倒锥形裂缝最终破坏；Sun Lixia等对偏压隧道的预加固方案选择进行了研究。但是，在建立数值模型时往往未考虑真实的地层情况，而是将结构面进行了单一化处理，不能很好的反映隧道围岩的受力变形特征。

1 工程概况

2 三维数值模拟

2.1 数值模型

近年来，由于1号施工支洞ZK0+000～ZK0+062段出现了衬砌剥落、掉块等现象，其中ZK0+040断面附近破坏较为集中，将ZK0+040断面作为研究的关键断面。因此采用Flac3D数值分析软件对隧道开挖后和开挖后10年的应力、应变特征进行研究。根据实际的工程地质条件，并考虑结构面对隧道的影响，计算模型如图1所示。通过对实际地质块体情况分析，发现对隧道影响较大的结构面主要有1个剪切带(g48)、2个断层(F140和f17)和4组裂隙(T36，T24，T25和T26)，各结构面与1号施工支洞的位置关系如图2所示。为了对隧道开挖后和开挖后10年的应力、应变特征进行研究，三维计算时对未考虑蠕变影响和考虑蠕变影响两种情况进行对比分析。

2.2 三维数值分析

2.2.1 未考虑蠕变影响

计算采用三维弹塑性(Mohr-Coulomb模型)进行分析，计算参数如表1所示。

表1 模型选取的材料参数

名称变形模量/Pa摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比砂岩5.0×109376000.30灰岩1.5×1010501 0000.25裂隙1.5×10810100.35断层1.0×109273000.35剪切带1.5×10812100.35衬砌2.6×1010——0.17

将结构面集中的断面(ZK0+040)作为关键研究面，对其受力、变形特征进行分析，并选取隧道断面的四个关键点(拱顶、右拱腰、左拱腰、底板)作为研究点。隧道开挖后，研究面的应力特征如图3所示，可以看出ZK0+040断面拱圈范围内分布了较多的拉应力，最大值约为24.63 kPa。从竖向位移云图可以看出，ZK0+040断面拱顶竖向位移约为3.05 mm，底板回弹位移约为2.48 mm，左右拱腰位移均较小。整个隧道中变形最大出现在ZK0+040断面的拱顶，最大位移约为3.05 mm。隧道处于稳定状态。

2.2.2 考虑蠕变影响

采用粘弹塑性CVISC模型(Burgers模型M-C元件串联模型)进行计算。选取上述关键研究面对1号施工支洞开挖10年后的受力、变形特征进行分析。隧道开挖10年后，从图4中的应力分布可以看出，ZK0+040断面拱顶范围出现约0.30 MPa的拉应力，受剪切带g48的影响，边墙两侧出现明显的压应力，最大约为6.5 MPa。从竖向位移云图可以看出，相较于初始变形，10年后ZK0+040断面的位移均有较为明显的增加；ZK0+040断面拱顶下沉约为2.33 cm，底板回弹位移约为1.34 cm，左右拱腰位移均不大。整个隧道中变形最大出现在ZK0+040断面的拱顶，最大位移约为2.33 cm。该断面应重点关注。

通过以上对比分析可以看出：隧道受结构面的影响较为明显，在结构面集中部位，ZK0+040断面应力、应变均较大。当隧道开挖后，关键研究面的拱顶下沉值较小约为3.05 mm，出现的最大拉应力在拱顶，最大约为24.63 kPa，隧道整体处于稳定状态。开挖10年后，关键研究面的应力、应变均明显增大，其中ZK0+040断面裂隙贯穿的拱顶部位拱顶下沉值较大，约为2.33 cm，隧道拱顶的拉应力约为0.3 MPa，很有可能导致ZK0+040断面附近的破坏。

3 结语

通过对1号施工支洞开挖和开挖10年后的应力、应变特征进行研究，得到以下两个主要结论：一是隧道受结构面的影响较大。开挖后，隧道的应力、应变均较小，隧道整体处于稳定状态；二是开挖10年后，关键断面的应力、应变均明显增大，其中ZK0+040断面裂隙贯穿的拱顶部位应力、应变均较大，很有可能导致隧道在ZK0+040断面附近的局部破坏。