某输水工程Ⅴ类围岩马蹄形隧洞有限元分析

樊一平

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

在水利、交通、矿业等行业工程建设过程中，经常出现开挖隧洞的情况，以达到缩短工程建设长度，节约工程投资，保障工程使用安全等目的。苏志生等[1]结合大伙房水库建设工程，分析了输水隧洞裂缝形成的原因，可能导致严重的渗水情况，并提出了防御措施；齐凯[2]采用FLAC3D 数值模拟方法，研究了深埋高压隧洞稳定性情况，认为埋深超过200 m 的隧洞需要采取加强支护措施；宁川[3]采用ABAQUS 软件，分析流固耦合机制下深埋隧洞的渗流情况，认为堵、排水效果与隧洞内外水压力关系密切；刘岭楠等[4]结合大前石岭隧道工程对复杂地质环境下的隧道爆破开挖提出了施工建议，保证了隧道建设的正常进行；杜立强等[5]、张宇等[6]、蒋吉芳等[7]分别对乌东德水电站泄洪洞、左岸引水、引水隧洞施工过程中的混凝土温度控制、施工质量控制以及钢衬混凝土施工方法进行研究，在实际工程建设中取得了不菲的成绩；刘志明[8]对锚杆加固穿越断层引水隧洞加固效果进行分析，结果表明：加固后隧洞围岩变形控制效果较好。根据前人研究成果可知，在隧洞稳定性分析中常用的方法包括：数值模拟[9～10]、预测分析[11～12]等，不同方法均取得了较为显著的成果。结合新疆某段输水隧洞情况，采用数值模拟方法对隧洞支护成果进行分析。

1 工程概况

本工程输水工程全长为148 km，隧洞部分长度为140 km。引水隧洞采用无压隧洞方式向下游运输水源。引水隧洞开挖方式为钻爆施工和TBM施工。钻爆施工段引水隧洞过水断面为马蹄形，洞径7.5 m，设计输水流量65 m3/s。

2 隧洞地质情况及支护措施

2.1 基本地质情况

引水隧洞全长为140 km，穿越多个地层，地质情况较为复杂，根据区域地质情况，隧洞穿越的主要岩性包括：石英片岩、花岗片麻岩以及黑云母片麻岩等。从岩性方面看，完整的岩体具有较高的强度，但是，由于引水隧洞所在地区地质构造活动较为强烈，在强烈的地质活动影响下部分隧洞围岩强度较低，岩体内发育有较多的结构面，岩体结构较为破碎，对引水隧洞的稳定性具有不利的影响，根据调查结果，划分围岩类型为Ⅴ类，针对这种情况，选取断层破碎带附近的不利断面，建立数值模拟模型分析拟采用的支护措施的合理性。

2.2 引水隧洞支护措施

本工程马蹄形引水隧洞过水断面采用R2=2R1的标准马蹄形断面，支护方式为一次支护（喷护混凝土）+二次衬砌的组合衬砌形式。断层破碎带附近Ⅴ类围岩引水隧洞段开挖洞径为8.9 m，此处预留变形量为5 cm，一次支护措施为厚度20 cm 的C30 挂网喷护混凝土，同时架立HW150 型钢拱架，边、顶拱打设3.5 m 长φ25 砂浆锚杆，锚杆间距为2.0 m，二次衬砌采用厚度为45 cm 的C35 钢筋混凝土。Ⅴ类围岩断层带引水隧洞断面（不利断面）衬砌结构见图1。

图1 Ⅴ类围岩隧洞结构断面图

3 数值模拟分析

3.1 有限元模型建立

喷护混凝土及二次衬砌混凝土结构采用弹性介质以二维实体单元模拟，围岩假设为弹塑性材料，采用摩尔- 库伦准则模拟其屈服状态，钢拱架采用弹性介质以梁单元模拟，锚杆采用弹性介质以杆单元模拟。

左右垂直边界采用水平向约束，底部边界采用水平及垂直向约束。数值模拟计算模型见图2。

图2 计算模型图

3.2 计算断面及参数选取

根据现场调查结果，引水隧洞沿线受地质构造活动影响较大，存在有断裂破碎带，对引水隧洞的稳定性造成严重的威胁。为了保证支护结构在整个引水隧洞的使用中能保证安全，综合考虑使用最不利的断面作为计算断面，该断面的基本信息见表1。

表1 计算断面信息

数值模拟围岩计算参数见表2。喷护混凝土及二次衬砌结构混凝土的计算参数按照规范要求的混凝土设计参数进行选取，锚杆及拱架计算参数按照钢进行选取。混凝土、锚杆、拱架计算参数见表3。

表2 围岩数值模拟计算参数

表3 支护措施计算参数

3.3 计算成果及分析

有限元数值模拟计算结果见图3。从图3（a）可知，引水隧洞最大位移变形量为0.44 cm，最大位移发生于隧洞拱顶部位，边拱、顶拱位置属于围岩变形较大区域，但整体变形满足预留的5 cm 变形量，计算结果表明预留变形量选取值较为合理，可以保证隧洞的整体稳定性；喷护混凝土应力云图见图3（b），从图中可知：喷射混凝土后最大压应力位于边拱处，数值为2.92 MPa，该值小于所选取的C30 混凝土的抗压强度设计值，喷射混凝土层未出现拉应力，喷射混凝土层不会出现裂缝；拱架应力云图见图3（c），从图中可知拱架采用三级钢筋材料，其最大应力值为20.63 MPa，该值不大于三级钢筋允许抗压强度设计值，拱架稳定性较高；二次衬砌应力云图见图3（d），从图中可知二次衬砌结构采用C35 混凝土，未出现拉应力，最大压应力位于拱脚处，最大值为5.97 MPa，小于规范所规定的C35 混凝土抗压强度设计值，二次衬砌结构稳定性满足要求。

综上可以得出，该工程马蹄形隧洞Ⅴ类围岩断层带洞段所选取的预留变形量和支护衬砌措施是合适的。由于断层破碎带附近引水隧洞围岩物理性质较差，在钻爆施工扰动影响下，极有可能出现小规模的破坏，对施工人员安全产生威胁。因此，在施工过程中应当根据现场实际情况，采取相应的超前支护措施，以保证施工人员的安全和工程建设的进度。

图3 有限元计算结果云图

4 结论

输水工程引水隧洞支护结构稳定性对保证工程运行具有重要意义。结合新疆某输水工程引水隧洞调查成果，选择位于构造活动带附近的最不利断面作为计算断面，使用有限元数值模拟方法对马蹄形隧洞Ⅴ类围岩洞段预留变形量和衬砌结构支护成果进行分析。通过分析应力应变结果可知，最大变形量为0.44 cm，位于拱顶部位，小于预留5 cm 变形量，满足要求，且喷护混凝土、拱架、二次衬砌结构均为出现拉应力，结构内部压应力亦在允许范围内，为保护施工过程中人员的安全，应当在断层破碎带附近采用相应的超前支护措施。