基于FLAC 3D的引水隧洞围岩稳定及支护结构研究

李 勇

(忻州水利建设投资有限公司，山西 忻州 034000)

水工隧洞结构的围岩稳定性研究直接关系到水工隧洞结构施工安全性和结构稳定性。为了保证周围岩体的稳定，大量的工程支护结构被应用于维护围岩的稳定，如：初期混凝土喷射支护、二次衬砌结构支护以及锚杆支护等，定量评价支护结构不仅可以有效保证围岩结构的稳定性，还可以提高工程的经济性和可行性。

围岩稳定性一直是亟需解决的工程问题。目前，已经有大量的专家学者做了相关的研究：张子新等[1]采用块体理论赤平解析法对矿井围岩进行研究，并针对相应的工程问题提出了解决方案；张玉军等[2]通过构建数值分析模型，分析了地下洞室结构围岩的稳定性，并对其及进行量化评价；吴世勇等[3]以某实际水工隧洞工程为研究对象，建立数值分析模型，分析围岩结构的应力场、位移场、塑性区分布等围岩特征；姜弘道等[4]使用BESDAP程序对某水利工程地下隧洞群的围岩稳定性进行分析，分析了洞群间相互作用对围岩稳定性的影响作用；徐干成[5]利用黏弹性边界元理论分析锚杆支护对围岩结构稳定性的作用，并对其进行评价；杨典森等[6]使用有限差分法分析了某水工隧洞结构的围岩稳定性，并计算支护结构的位移和变形状况；赵成龙等[7]验证了非连续变形分析法对于地下结构的稳定性分析具有很好的效果；姚池等[8]利用改进刚体弹簧法分析了围岩结构的受力、变形状况，并与实际工程监测数值进行比较，验证了该工程研究方法具有很好的准确率和适用性。本文利用FLAC 3D对某水利工程建立水工隧洞数值分析模型，定量分析隧洞衬砌结构对围岩稳定性的影响。

1 模型建立

本研究以我国某大型引水工程水工隧洞为研究对象，利用FLAC 3D对该水工隧洞建立三维数值分析模型。

该水工隧洞工程衬砌内为净空宽4m、高5.8m的拱洞型结构，顶部为180°转角的拱形结构，两侧为竖向直墙，底板采用水平底板，该衬砌结构厚度为0.40m。Ⅲ级围岩主要分布在地下170m以下。Ⅳ级围岩分布在150～170m以下。150m以上主要为Ⅴ级围岩。

建立数值分析模型，研究范围为隧洞5倍的宽度和高度，网格单元采用8节点六面体单元，该模型共有37830个网格单元，设置41730个单元节点，模拟单元的模型选择和边界约束情况见表1，构建的模型如图1所示。

图1 计算模型

表1 模拟单元的模型选择和边界约束情况

初次喷射混凝土采用的是C20混凝土，二次衬砌采用的是C25混凝土，打入围岩的锚杆采用的是直径25mm的砂浆锚杆。围岩结构、衬砌混凝土结构、锚杆结构的计算参数见表2—4。

表2 围岩结构计算参数

表3 衬砌混凝土结构计算参数

表4 锚杆支护结构计算参数

2 工况设计

为了更加充分地研究该水工隧洞围岩稳定及支护结构，模拟不同阶段围岩应力进行施工，模拟的工况见表5。

表5 模拟工况

3 模拟结果分析

3.1 应力分布分析

对水工隧洞模型在Ⅲ类围岩条件下进行模拟，得到水工隧洞模型在不同种工况下的应力分布图(最大主应力、最小主应力)如图2—3所示。

由图2可得，在围岩未进行支护时，隧洞周围围岩出现的均为拉应力，且拉应力值较小，隧洞周围最大拉应力为0.035MPa；对隧洞周围围岩进行初期喷射混凝支护后，在水工隧洞拱顶位置处的拉应力逐渐消失，进而变化为较为集中的压应力，而隧洞的侧墙、底板的应力变化较小，侧墙、底板的最大主应力仍为拉应力，其值增大约0.11MPa，而在隧洞周围围岩应力释放区域的最大主应力略有降低，说明初次衬砌施工有利于提高围岩的整体稳定性；对隧洞周围围岩进行二次衬砌支护后，水工隧洞拱顶位置处的压应力作用范围逐渐增大，但隧洞的侧墙、底板的应力变化仍较小，最大主拉应力减小为0.006MPa，说明二次衬砌施工进一步提高围岩的整体稳定性。

由图3可得，在围岩未进行支护时，水工隧洞周围出现较大范围的应力释放圈，侧墙与底板的交接位置处出现了两块应力集中点，最小主应力分布中，最大压应力值为13.7MPa；对隧洞周围围岩进行初期喷射混凝支护后，应力释放圈略微减弱，但效果不明显，且侧墙与底板的交接位置处的压应力集中现象仍然存在，但最大值为13.0MPa，应力集中现象缓解效果不明显；对隧洞周围围岩进行二次衬砌支护后，应力释放圈有所减小，侧墙与底板的交接位置处的压应力集中现象有所缓解，最大压应力值为10.8MPa，应力集中现象明显减弱，围岩结构的稳定性有效提高。

3.2 位移分布分析

对水工隧洞模型在Ⅲ类围岩条件下进行模拟，得到水工隧洞模型在不同种工况下的各方向和各结构位移分布如图4—6所示。

由图4—6可得，隧洞开挖后，不同工况条件下围岩结构的位移变化规律基本相同，在隧洞结构的左、右两侧中间部位，沿着X方向水平位移是最大的；在隧洞结构的拱顶、拱底两侧的中间部位，沿着Y方向竖向位移是最大的；在工况1为隧洞未进行支护时，隧洞结构在底板、左右两侧竖墙、拱顶的最大位移分别为4.17、4.73、3.83mm，工况2为隧洞进行初期喷射混凝土支护完成时，隧洞结构在底板、左右两侧竖墙、拱顶的最大位移分别为3.93、4.34、2.76mm，初期喷射混凝土支护可以降低隧洞局部结构位移的5.76%、8.25%、27.94%，初期喷射混凝土支护可以有效降低水工隧洞结构的位移，其中，对拱顶位置的作用最为明显；工况3为隧洞进行二次衬砌结构支护完成时，隧洞结构在底板、左右两侧竖墙、拱顶的最大位移分别为3.47、3.74、2.37mm，初期喷射混凝土支护可以降低隧洞局部结构位移的11.70%、13.82%、14.13%，对于隧洞组成结构的位移进一步降低，使得各组成部分的位移保持在规定的安全值范围内。

图4 沿着X方向的位移

图5 沿着Z方向的位移

图6 各结构位移分布

3.3 结构塑性区分布分析

对水工隧洞模型在Ⅲ类围岩条件下进行模拟，得到水工隧洞模型在不同工况下，各组成结构的塑性区分布如图7所示[9-12]。

由图7可分析得出，工况1为隧洞未进行支护时，隧洞结构岩体周围出现有较大范围的塑性区，左右两侧竖墙的塑性区与底板、拱顶未连接贯通，左右两侧竖墙、拱顶主要受到的是剪切破坏，未出现受拉破坏区，围岩结构的稳定性较差；工况2为隧洞进行初期喷射混凝土支护完成时，该状态下，拱顶的塑性区大幅减少，左右两侧竖墙的塑性区也有明显减少，底板处的塑性区未出现明显变化，当前围岩结构相较于工况1时有所稳定，剪切破坏区域仅存在于左右两侧竖墙，初期喷射混凝土支护可以有效限制塑性区域的发展；工况3为隧洞进行二次衬砌结构支护完成时，此时塑性区域仅存于左右两侧竖墙和底板局部区域，拱顶的塑性区基本消失，围岩结构在二次衬砌结构的限制下，基本没有剪切破坏区域的产生，围岩结构的稳定性进一步提高，此时塑性区的发展得到很好的抑制。

图7 各结构塑性区分布

4 结论

利用FLAC 3D对该陕西省某大型引水工程水工隧洞建立三维数值分析模型，通过分析隧洞结构的应力场、位移场、塑性区分布得到以下结论。

(1)支护结构可以有效改变围岩结构的受力状况，使得为围岩结构的拉应力逐渐减小，进而转化为压应力，使得围岩受力更为合理，同时，有效缓解侧墙与底板的交接位置处的压应力集中现象。

(2)支护结构可以有效降低围岩结构的位移变形，初期混凝土喷射可以使得底板、左右两侧竖墙、拱顶的最大位移降低5.76%、8.25%、27.94%，二尺衬砌结构可以使得底板、左右两侧竖墙、拱顶的最大位移降低11.70%、13.82%、14.13%。

(3)支护结构可以有效抑制水工隧洞围岩结构塑性区的发展，减小剪切破坏区域范围，有效提高围岩结构的稳定性。