水工有压隧洞围岩稳定分析及计算

李 鹏

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

0 前言

目前分析围岩稳定的方法很多，主要有规范的方法、解析分析法、图解分析法、数值计算方法。

随着训算机技术与岩土本构关系研究的进展，支护系统的数值计算法有了新的发展。用弹塑性力学理论分析围岩和支护结构的有限元程序迅速普及，边界元及边界元与有限元藕合法在隧洞工程中的应用也有不少成果，用于裂隙岩体的块体理论和离散元理论也编出了相应的程序。本文根据不同围岩类别、隧洞施工方法选取典型断面采用有限元方法进行分析计算，计算内容包括：施工断面的开挖、支护和衬砌受内外水压作用的受力分析。

1 工程概况

吉林省中部城市引松供水工程是从松花江丰满水库库区引水，输水总干线起点为丰满水库，终点为冯家岭分水枢纽，全长110.483 km，其中有压隧洞长97.081 km。该工程是解决吉林省中部地区城市供水问题的大型调水工程，是松辽流域水资源优化配置的主要工程之一。本次选取输水总干线1+974断面对隧洞围岩稳定性及衬砌支护结构设计进行计算分析研究。

2 计算条件及模型建立

2.1 计算条件

1+974断面采用钻爆法开挖，设计过水洞径6.8 m，开挖洞径7.64 m，该断面围岩为Ⅲ类砂砾岩，洞室开挖底板高程为231.14 m，洞室埋深347.0 m，外水水头高332.8 m，内水最高压力水头为35.0 m。初始地应力场采用地应力测孔实测地应力值，其中隧洞中心线处侧压力系数取值为：Kx=1.00，Ky=1.50，Kz=1.10，Kxy=0.15。围岩材料参数见表1。

表1 计算采用岩体材料参数表

1）开挖工况：围岩承担70%开挖荷载，锚喷支护及围岩共同承担30%开挖荷载的。

2）内水工况：作用在衬砌上的荷载有33.2 m最高压力水头产生的内水荷载、衬砌自重及2%的外水荷载，不考虑灌浆压力、开挖荷载。

3）外水工况：作用在衬砌上的荷载有该位置的压力水头332.8 m取折减系数为0.2产生的外水荷载、衬砌自重荷载和10%的开挖荷载，不考虑灌浆压力、内水荷载。

采用Ⅲ类围岩支护衬砌参数：喷层混凝土C20，厚160 mm，衬砌混凝土C25，厚度500 mm，顶拱180°范围布置锚杆φ22@1000 mm，L=2.5 m，挂设φ8@150钢筋网。固结灌浆间排距为3 m，长度为1.2倍洞半径，灌浆比例为50%。回填灌浆取顶拱120°范围。格栅拱架支护，排距为0.8 m。

2.2 有限元模型

1+974断面有限元模型坐标系为：X坐标零点为隧洞中心；Y轴与洞室轴线重合，指向下游为正；Z轴与大地坐标系重合。模型共划分了23220个八节点六面体单元。其中X方向从-46.5 m～46.5 m，范围为 93 m；Y方向从-9.5 m～9.5 m，范围为19 m；Z向从188.46 m～281.46 m，范围为93.0 m，与断面实际高程相同。

图1 1+974断面计算模型

3 围岩稳定分析

3.1 开挖工况围岩稳定特性分析

1）隧洞采用一次性全断面开挖模拟。隧洞开挖后，隧洞沿洞周出现一定范围的开裂区和塑性区，总的破坏区深度达1.44 m，破坏区基本沿洞周均匀分布，其中开裂区的深度为0.27m，塑性区深度达1.17 m，由于该段隧洞埋深较大，地应力较大，因此洞周破坏深度相对稍大。

2）隧洞开挖后，周边围岩向内变形，洞周围岩位移分布在11.2 mm～12.5 mm之间，位移分布沿洞周较均匀，隧洞顶部和底部位移稍大，但位移量值总体不大。总的来说，该断面隧洞埋深较大，初始应力较大，但围岩参数较高，稳定条件较好，因此隧洞周边围岩没有出现较大变形。

3）隧洞开挖后，洞周应力均以压应力为主，第一主应力为-11.54 MPa～-23.25 MPa，第三主应力为 -1.47 MPa～-10.03 MPa，其中隧洞两侧压应力值较大，第一主应力分布在-19.95 MPa～-23.25 MPa之间，但隧洞附近应力整体分布较均匀，由于隧洞埋深较大，洞室开挖后洞周围岩压应力均较大，没有出现拉应力。

4）隧洞开挖后，隧洞支护锚杆应力分布在144 MPa～153 MPa之间，锚杆应力分布均匀。由于该段隧洞埋深较大，隧洞开挖释放荷载较大，因此锚杆应力稍大，但锚杆仍具有一定的安全储备，锚杆支护参数选择是合理的。

图2 1+974断面开挖工况锚杆应力分布图

3.2 内水工况衬砌稳定特性分析

1）在内水作用下，衬砌变形向外，衬砌变形0.1 mm～0.3 mm，由于受内水水头较小，衬砌变形量较小。

2）在内水作用下，压应力较小，衬砌第一主应力为-0.18MPa～-0.35 MPa；衬砌第三主应力为1.39 MPa～1.83 MPa，为拉应力，应力分布较均匀。在内水作用下衬砌内应力分布较好，没有出现过大的应力集中，但衬砌内部拉应力超过衬砌混凝土抗拉强度，拉应力量值较大，混凝土可能会开裂，有可能会出现内水外渗，所以该段隧洞应加强该断面围岩的固结灌浆，封堵可能的渗流通道，防止内水外渗。

3）内水压作用下，衬砌的轴力为拉，分布在42 t～53 t之间，衬砌轴力分布较为均匀；弯矩为向外弯，分布在-0.07 t·m～-0.13 t·m，量值整体较小。由此看出衬砌在内水作用下，衬砌内力不大，分布较均匀。

图3 1+974断面内水工况衬砌轴力（弯矩）分布图

3.3 外水工况衬砌稳定特性分析

1）在外水作用下，衬砌向洞内变形，量值分布在1.2 mm～1.3 mm之间，衬砌变形不大，位移分布较均匀，其中衬砌底部和顶部变形相对稍大，两侧变形相对稍小。

2）在外水作用下，衬砌第一主应力为-9.48 MPa～-10.44 MPa，衬砌第三主应力为-0.14 MPa～-0.76 MPa，其中衬砌两侧压应力量值较大，总体而言，衬砌在外水作用下，衬砌受力状态良好，由于外水水头较大，衬砌受力较大。

3）在外水作用下，衬砌的轴力为压，分布在-209 t～-302 t之间，弯矩为向内弯，分布在0.41 t·m～0.65 t·m之间。衬砌轴力及弯矩分布较均匀，由于外水水头较高，因此外水作用下，衬砌受压较大，但不起控制作用。

图4 1+974断面外水工况衬砌轴力（弯矩）分布图

4 计算结果

表2 计算结果汇总表

该段隧洞埋深较大，但围岩条件较好，锚固支护参数合理，洞室开挖后围岩稳定性较好。

内水工况下衬砌环向最大拉应力超过混凝土抗拉强度，衬砌可能会出现开裂，应该加强该断面围岩的固结灌浆，封堵可能的渗流通道。

外水工况下由于地下水位高，取0.2的外水折减系数，衬砌环向压应力值较大，考虑到该段隧洞地质条件的复杂性及不确定性，同时外水折减系数取值的经验性较大，为保证工程安全，设计过程中，建议增加衬砌厚度，同时增加锚杆长度，将锚杆延伸至衬砌内部，考虑锚杆对衬砌的拉力作用，施工开挖过程中，根据该段隧洞实际地质揭露情况，根据实际情况采取必要的工程措施减小衬砌受力，保证衬砌在外水作用下的安全性。

5 结语

综上所述，在水工隧洞设计中，运用有限元法对隧洞围岩的稳定性进行分析，得到围岩开挖后的应力变化及变形位移等，并根据分析结果，确认在施工中以加固围岩为主，形成围岩固结圈，利用围岩、衬砌及锚杆的联合作用，以解决隧洞高外水压力问题，是切实可行，经济合理的。