二次衬砌支护参数对围岩稳定性影响分析

苗立业

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳110003）

1 工程背景

石河发源于辽宁省绥中县加碑岩乡大岭根，全长67.7 km，为该县较大的独流入海河流。大风口水库为石河干流上的一座以防洪和供水为主，兼具灌溉、旅游等多种功能为一体的大（2）型水利枢纽工程，坝址以上河长38.7 km，集雨面积为251 km2，设计洪水为百年一遇，设计水位为113.66 m，校核洪水标准为5 000 年一遇，校核洪水位为119.48 m[1]。为了解决绥中火电厂的用水需求，需要在水库大坝右坝端原输水隧洞的右侧新建1 条输水隧洞。新建输水隧洞全长255 m，主要由进口明渠、竖井、洞身段、明管段以及出口压力箱等五部分组成[2]。

输水隧洞所处区域的地质环境比较复杂，岩体的风化程度较高，且存在大量的节理裂隙，自稳性较差。结合隧洞围岩的实际情况，在施工过程中拟采用全断面开挖方式。为了保证开挖施工的顺利进行，施工过程中采用了砂浆锚杆、钢筋网、钢拱架和喷射混凝土相结合的初支方式。其中，砂浆锚杆长2.0 m、直径为25 mm，钢拱架为I20a型钢；研究洞段的二衬拟采用C30 混凝土，厚度为50 cm。安全性是水工隧洞施工中的首要追求目标，因此在当前的施工设计中往往为了确保施工安全，造成设计指标往往偏于保守，这显然不利于工程经济性的实现[3]。因此，如何兼顾工程本身的安全性和经济性，就成为工程设计和建设中的重要课题[4]。基于此，此次研究以具体工程为背景，通过有限元数值模拟分析的方法，研究和分析二衬混凝土参数对输水隧洞围岩稳定性的影响，并提出相应的工程设计建议。

2 FLAC3D 有限元计算模型

2.1 软件的选择

FLAC 软件为岩土工程研究领域的常用分析软件，该软件由美国ITASCA 公司研发[5]，共包括二维和三维两个主要版本。此次研究采用的FLAC3D 作为软件的三维版本是二维版本的拓展，其功能更为强大和完善，并主要用于岩土体以及相关类似材料的结构受力分析和研究，具有重要实用意义和价值。从软件的算法来看，由于采用了混合-离散分区技术，因此使岩土体材料的结构受力分析更为便捷，显著减小了计算的复杂性和强度，相对于其他有限元模拟软件具有明显的优势，可以通过较小的计算量，获得更为科学和准确的模拟计算结果[6]。

2.2 模型的建立

根据工程设计，大风口水库新建输水隧洞断面尺寸为4.0 m×5.8 m，为典型的城门洞型设计。根据地下洞室工程的相关研究成果，地下洞室工程开挖对围岩应力和应变的影响范围主要集中于5 倍洞径以内的区域，对该区域之外的影响小于5%。因此，研究中模型的水平和竖直方向的计算范围按照洞径的5 倍计算，长度确定为6.0 m，整个模型的尺寸为60 m×60 m×6 m[7]。结合相关研究经验，对计算模型设置位移边界条件：模型的底部施加全位移约束，模型的四周施加水平位移约束，模型的顶部不施加位移约束，为自由边界条件。模型支护结构的混凝土采用线弹性模型模拟，围岩岩体采用库伦-摩尔本构模型模拟[8]。为充分考虑不同材料对计算结果的影响，对模型的围岩岩体和二次衬砌混凝土、初衬喷射混凝土以及锚杆分别采用实体单元、Shell 单元和Cable 单元模拟，以提高模型的计算精度。对构建的几何模型采用六面体8 节点单元进行网格剖分，并对隧洞周边围岩和支护结构进行网格加密，最终获得35 400 个计算单元。

3 计算结果与分析

3.1 二衬混凝土厚度的影响

为研究二次衬砌混凝土厚度的影响，以获取最佳的二次衬砌厚度，结合相关研究成果和工程实际，设计30，35，40，45，50 cm 等5 种不同厚度计算方案进行数值模拟计算，根据计算结果，分析厚度因素对围岩稳定性的影响。

3.1.1 围岩变形分析

利用已构建的三维有限元模型，对5 种不同二衬混凝土厚度计算方案下的围岩位移变形进行模拟计算，并从计算结果中提取出拱顶竖向位移以及侧墙水平位移的最大值，结果如图1 所示。由计算结果可知，无论是拱顶的沉降位移还是侧墙的水平位移，均随着混凝土厚度的增加而减小。这说明，增加二衬混凝土的厚度可以在一定程度上控制研究洞段的拱顶沉降和水平位移变形。当衬砌混凝土小于40 cm 时，位移量的减小幅度较大，当厚度超过40 cm 时，减小的幅度极为有限。这说明，在二衬混凝土的厚度超过40 cm 时，施工成本仍会明显增加，而控制位移变形的作用会明显减弱。

3.1.2 围岩塑性区分析

利用已构建的三维有限元模型，对5 种不同二衬混凝土厚度计算方案下的研究洞段围岩塑性区进行模拟计算，并提取出塑性区面积的计算结果，如表1 所示。由计算结果可知，随着二次衬砌混凝土厚度的增加，围岩塑性区的范围不断减小。这说明，增加二次衬砌混凝土的厚度，有助于围岩塑性区面积的控制。当混凝土的厚度小于40 cm 时，当前和过去剪切塑性区的面积呈显著减小的趋势；而厚度大于40 cm 时，虽然当前剪切塑性区域逐渐减小并消失，但是过去剪切塑性区域的面积变化并不明显。总之，结合围岩位移变形和塑性区计算结果，应将二衬混凝土的厚度设计为40 cm，这不仅可以保证工程的安全性，还可以有效控制施工成本。

图1 位移随混凝土厚度变化曲线

表1 不同衬砌厚度下围岩塑性区面积计算结果m2

3.2 二衬混凝土强度的影响

为研究二次衬砌混凝土强度的影响，以获取最佳的二次衬砌混凝土强度，结合相关研究成果和工程实际，设计了C20，C25，C30，C35，C40 等5 种不同强度设计方案进行数值模拟计算，根据计算结果，分析混凝土强度因素对围岩稳定性的影响。

3.2.1 围岩变形分析

利用已构建的三维有限元模型，对5 种不同强度设计方案下的围岩位移变形进行模拟计算，并从计算结果中提取出拱顶竖向位移以及侧墙水平位移的最大值，结果如图2 所示。由计算结果可知，无论是拱顶的沉降位移还是侧墙的水平位移，都没有十分明显的变化，这说明二次衬砌混凝土的强度等级对控制围岩变形的作用极为有限。

图2 不同混凝土强度下位移曲线

3.2.2 围岩塑性区分析

利用已构建的三维有限元模型，对5 种不同强度设计方案下的围岩位移围岩塑性区进行计算，统计出如表2 所示的围岩塑性区面积。由表2 可知，围岩塑性区的变化受混凝土强度等级的影响极为有限，即增加混凝土强度等级，对控制围岩塑性区的作用并不明显。因此，结合围岩变形和塑性区的计算结果，同时结合施工成本，建议选择C25 混凝土进行二次衬砌的施工。

表2 不同强度等级条件下的塑性区面积计算结果m2

4 结语

综上所述，利用数值模拟的方法，对辽宁省大风口水库新建输水隧洞，研究二次衬砌混凝土的厚度和强度等级对围岩位移和塑性区的影响，获得如下主要结论：

1）增加二次衬砌混凝土的厚度有利于围岩变形和塑性区的控制，但是在厚度超过40 cm 的情况下，控制作用会明显减弱；

2）增加二衬混凝土强度等级对围岩的位移和塑性的作用极为有限；

3）结合研究成果和工程的经济性，建议二次衬砌混凝土的厚度为40 cm，强度等级选择C25 混凝土。