V类围岩条件下岔洞稳定性数值计算分析及综合支护评价

何 帅

(新疆水利电力建设总公司，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水利工程是我国经济发展的基础性保障，平衡水资源空间的均衡性可为区域经济发展注入强大力量。在区域性调水工程中，隧洞是重要的输水及交通建筑物，保障隧洞的安全稳定具有十分重要意义。隧洞工程具有长距离、穿越地质结构复杂等典型特征。因此，隧洞工程在破碎围岩条件下，尤其是隧洞交叉部位(岔洞)位于破碎岩体区域时的稳定性研究显得十分必要。

国内许多学者对隧洞岔洞围岩的稳定性进行了很多有建设性的研究。马永军[1-2]采用FLAC3D计算软件，基于官地水电站，对尾水岔洞永久衬砌进行了三维有限元分析，研究了衬砌的内力与变形特点，计算结果为尾水岔洞的衬砌结构细化设计及配筋设计提供了技术依据。林鹏等[3]基于弹塑性理论，运用FLAC3D有限差分软件，计算并得出官地水电站尾水岔洞围岩的应力分布、变形分布及塑性屈服区分布特性，据此评价岔洞的支护效果，进而提出了保证围岩稳定的相应支护措施。郭海庆[4]等采用弹塑性有限元计算方法，基于弹塑性理论计算开挖后岔洞围岩的应力、位移及塑性屈服范围，同时根据计算结果提出施工、支护工程建议。钱军刚[5]采用离散元软件，基于弹塑性本构模型，计算并分析了尾水隧洞岔洞处围岩的受力特性，根据计算结果对设计及施工的优化提出了建议。佘鸿翔等[6]基于黄金坪水电站尾水岔洞，针对其体型复杂、跨度大、受力条件差等特点，根据三维有限元分析成果及监测成果，优化岔洞的支护及开挖方案，为施工期岔洞围岩的稳定安全提供了保障。

以上学者在隧洞围岩及岔洞围岩稳定研究上做出了一定的贡献，其研究成果在开挖、支护及设计优化等方面均具有一定影响及意义。然而，在破碎围岩条件下，综合支护下岔洞围岩的稳定特性及支护评价研究尚为不足；V类围岩条件下，采取综合支护措施的岔洞部分围岩特性分析以及支护评价仍需深入。为此，本文依托于新疆某调水工程，采用有限差分数值计算软件，计算并分析V类围岩条件下综合支护条件岔洞部分的围岩应力、位移及塑性分布特性，旨在评价破碎围岩条件下岔洞的综合支护措施，同时基于计算结果，为岔洞施工措施、支护措施提出建议。

1 地质概况

新疆某调水工程输水隧洞主洞与支洞的岔洞段地质条件见表1。岔洞围岩为奥陶系黑云母石英片岩、二云石英片岩：颜色为浅灰～灰黑色，呈中厚层～厚层状，岩层产状：290°～300°NE∠40°～50°，片理面与岩层产状一致，岩石片理发育，片理间距2～5 cm，岩石节理多为片理面，裂隙中等发育，裂隙间距30～80 cm，裂隙面粗糙、起伏，裂隙面绢云母化、绿泥石化现象普遍，变质程度较深。经矿物成分分析，岩石中石英含量约占50%～60%。

表1 岔洞Ⅴ类围岩段地层岩性基本地质特性表

根据地表地质测绘并结合物探、钻探、试验资料综合分析，依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)围岩详细分类，主要以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五大因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比为限定判据[7]，并结合钻孔岩石质量指标RQD、岩体结构、岩体透水率、岩体波速、岩体节理系数、裂隙平均间距、岩体弹变形模量、岩体坚固系数、岩体弹抗系数及围岩岩爆等，综合划分该处岩类别为Ⅴ类围岩。对此，针对完整性极差的隧洞交叉部位，采取传统的二维简化计算并确定综合支护措施的合理性是难以达到目的的。因此，采用三维数值计算的方法，可有效分析V类围岩条件下，复杂体型的岔洞在综合支护措施中的应力、位移以及塑性开展情况，有利于对此类问题的开挖、支护措施进行凝练总结，研究成果旨在为相关破碎岩体下岔洞开挖及衬砌提供参考。

2 数值计算模型

2.1 本构模型

本构模型是岩土材料力学性质的经验性描述，表达的是外载条件下岩、土体的应力-应变关系，因此本构模型的选择是数值模拟的一个关键性步骤。对具体的工程分析选择本构模型时，必须考虑到工程材料的已知力学特性和本构模型的适用范围。只有当选择的本构模型与工程材料力学特性契合度较高时，其选择才是合理的。

岩土工程中，根据岩石力学特性，数值计算时常采用弹塑性本构模型。结合本工程地质条件，选用理想弹塑性本构关系，以摩尔库伦条件作为围岩屈服的准则。以摩尔库伦屈服准则为剪切破坏准则，其剪切屈服面函数为[8-9]：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(1)

(2)

式中：φ为q-p应力面上的摩尔库伦屈服面倾斜角；c为材料的黏聚力；Θ为极偏角，定义cos(3Θ)=(J3)3/q3，J3为第三偏应力不变量。

由于摩尔库伦准则屈服平面存在尖角，为避免尖角影响，使尖角处出现塑性流动方向不唯一现象，采用椭圆函数作为塑性面，其函数表达式如下：

(3)

式中：Ψ为材料剪胀角；c0为未发生塑性变形的初始凝聚力；ε为子午面偏心率；Rmw为控制塑性势面的参数，按下式计算

(4)

式中：e为π面上的偏心率，按下式计算

(5)

2.2 计算模型及网格划分

V类围岩岔洞部分埋深约为100 m。主洞为马蹄形断面，尺寸为11 m×12.5 m，支洞与主洞夹角为55°，尺寸为8 m×9.5 m。根据工程经验，沿隧洞纵向和横向，隧洞开挖影响的主要范围为2～3倍洞径D以内。本模型上、下、右侧边界距离隧洞开挖边界90 m左右，大于3倍D；沿隧洞纵向模型长度为100 m，大于3倍D，模型尺寸大小满足边界影响要求。根据工程实际情况，建立三维有数值计算模型并划分网格。三维数值计算模型见图1，整个模型共划分三维实体单元198 000个、锚杆单元约2 300个、钢支撑单元约3 500个。岩体、混凝土采用8节点6面体实体单元模拟，锚杆采用杆件单元模拟，钢支撑采用组合杆件单元模拟。

图1 三维数值计算模型

2.3 计算参数及边界条件

根据实验室岩石标准力学试验，得出岩石的力学参数，据此选取岩体的物理力学参数。围岩物理力学参数见表2。

表2 岔洞Ⅴ类围岩物理力学参数

整体模型边界条件采用上部压力边界，即根据整体模型尺寸及埋深设定压力；模型底面为全约束条件；整体模型侧向面采用法相约束。隧洞采取钻爆法施工、进尺3.2 m，主洞二次衬砌滞后掌子面300 m。隧洞开挖及支护三维数值计算模型见图2。主洞一次支护采用11Φ25L 3.0 m/12Φ25L 3.0 m系统锚杆、2Φ25L 3.0 m锁脚锚杆、厚15 cm C30喷射混凝土和HW125型钢支撑支护。支洞一次支护采用厚15 cm C25喷射混凝土、Φ8钢筋网200 mm×200 mm、16工字钢拱架间距1.0 m。主洞及支洞均采用厚40 cm C30模筑钢筋混凝土进行二次衬砌。

为了细致模拟隧洞开挖、支护、运行过程中产生的力学行为，共设置54个计算步(STEP)：①STEP1：初始地应力场，其值依据工程地质资料反演；②STEP2至STEP20：支洞开挖，累计进尺45 m；③STEP20至STEP54：主洞开挖，累计进尺100 m；④钻爆 V类围岩，每次进尺2.4 m，一次喷混凝土锚杆支护滞后于掌子面1个开挖循环。

数值计算中，隧洞围岩稳定及支护结构受力合理判断的参考标准：①围岩屈服区深度不超过3.5 m，并且屈服深度都不超过锚杆长度；②锚杆上承受拉力不大于100 kN；③初支喷射混凝土压应力不超过25 MPa，拉应力不超过1.2 MPa；④钢支撑上的拉、压应力不超过150 MPa。隧洞开挖及支护示意图，见图2。

图2 隧洞开挖及支护示意图

3 计算结果分析

3.1 围岩及衬砌应力场

根据前述数值计算模型及相关材料物理力学参数，采用有限差分软件进行三维数值计算，得出岔洞Ⅴ类围岩在各个开挖步骤下的应力场分布情况。

由隧洞交叉处围岩应力云图(图3)可以看出，围岩应力最大区域主要分布主洞和支洞交叉处的边墙脚附近，此部位存在局部应力集中，最大压应力为2.72 MPa。

图3 岔洞围岩最小主应力分布云图

图4为钢支撑轴向应力分布图。从图4中可以看出，其最大应力为42.87 MPa。根据锚杆轴向应力分布图可以看出，系统锚杆的最大轴力为36.69 kN，锁脚锚杆的最大轴力为26.33 kN。由此可以得出，钢支撑及锚杆均满足受力要求。

图4 钢支撑及锚杆受力云图

一次支护应力分布见图5。由图5可知，一次喷混凝土支护拱顶和边墙基本都处于受压状态。一次支护结构整体受力较均匀，但位于岔洞区有明显的压应力集中部位，最大压应力为12.00 MPa。岔洞一次喷混凝土支护结构拱顶处有部分区域为受拉状态，最大拉应力为0.69 MPa。

图5 岔洞一次支护主应力分布云图

3.2 围岩位移场

主洞和支洞围岩位移分布图见图6。从图6中可以看出，经一次支护下，主洞围岩拱顶竖向位移为1.46 cm，边墙水平位移为0.90 cm，仰拱竖向位移1.06 cm，隧洞拱顶的变形较大，侧边墙收敛相对较小。同时，对于岔洞部位围岩来说，靠近支洞一侧围岩位移稍大。交叉处隧道围岩位移较小，岩体稳定性较好。计算结果显示，针对V类围岩条件下的岔洞围岩，采用一次喷锚及钢拱架支护方法可有效控制隧洞围岩位移。

图6 岔洞处围岩位移分布图

3.3 塑性区特性

岔洞处围岩塑性区云图见图7。图7中可看出，围岩塑性区开展深度最大值位于边墙附近为2.50 m，拱顶处为0.90 m，仰拱处为0.70 m，主要为拉伸塑性状态和剪切塑性状态。围岩塑性区深度最值小为3.5 m，同时小于一次支护中锚杆长度且有效锚固长度。因此，从塑性区状态来看，围岩稳定性较好。

图7 隧洞V类围岩塑性区分布云图

4 讨 论

本文依托于新疆某输水工程，采用有限差分数值计算方法，基于Mohr-Cuolomb理想弹塑性本构模型，对隧洞的V类围岩岔洞进行了计算分析，根据有限差分计算结果中主应力、位移、塑性区进行了定性及定量的讨论分析。

从应力计算结果可以看出，岔洞处围岩应力最大区域主要分布在主洞和支洞交叉处的边墙脚附近，此部位存在局部应力集中。一次支护结构最大压应力为12.00 MPa，拉应力位于拱脚处，最大拉应力为0.69 MPa。根据喷混凝土结构的受力特性可以看出，隧洞交叉尖角区域围岩对衬砌结构的荷载较其他部位大。由此可以得出，该部位的岩体受力特性较差，可能已发生破坏。

从位移计算结果看出，围岩条件虽然极度破碎，但由于采取了较好综合支护措施，围岩整体变形较好。根据计算结果，围岩在开挖时，宜预留3 cm变形值，以保证工程完工后有足够的过流断面。

根据数值计算所得围岩塑性区结果可知，该破碎围岩段岔洞在综合支护条件下围岩塑性破坏可控，并处于较为合理的范围内，锚杆长度满足岔洞围岩最大塑性区深度。同时，根据云图可以看出，隧洞交叉处围岩尖角区已明显发生剪-拉塑性破坏，这与喷混凝土支护结构的应力场特性相对应。

综上所述，埋深100 m、V类围岩条件下，隧洞交叉部位围岩变形量、围岩应力状态、初支喷砼应力、塑性区分布范围等均满足要求，可以保证围岩稳定。针对该部位受力及变形特性，考虑到施工与计算的差异，为防止围岩塑性破坏产生局部破损塌落，隧洞开挖后宜尽可能及时采用喷锚支护，尖角处围岩可采取超前锚杆、导洞先行等优化支护及开挖措施，特别是对于大型硐室交叉部位，以降低工程事故隐患、确保围岩稳定，进而减小因围岩坍塌造成的工程事故、人员伤亡及经济损失。

5 结 论

本文依托新疆某大型泵站工程，采用三维有限差分数值计算方法，基于Mohr-Cuolomb理想弹塑性本构模型，对V类破碎围岩条件下隧洞岔洞的围岩及综合衬砌结构进行了计算分析，得到以下结论：

1) 破碎围岩条件下，锚喷钢拱架综合支护措施可有效保证岔洞稳定性。

2) 岔洞尖角部位围岩受力特性较差，宜采局部优化施工方案，同时超前支护，尽可能及时挂网喷锚支护。

3) 岔洞部位顶拱处受到拉应力，宜采取加强支护，以防止掉块及垮塌安全事故的发生。