基于FLAC3D 的引水平洞围岩稳定性分析及支护方案选择

徐向东

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司,新疆 石河子 832000）

计算机技术的发展引领越来越多的数值模拟方法应用于地下洞室施工与支护稳定性分析[1-2]。FLAC3D 采用三维快速拉格朗日法分析计算,其允许材料发生塑性变形和流变,适合解决岩土工程中遇到的高地应力下隧洞开挖引起的大变形问题,是较为理想的围岩工程计算软件。本文就奎屯引水工程平洞的施工进行全过程计算模拟,重点研究围岩开挖位移、应力等分布规律和支护效果。

1 工程概况及研究区计算模型

1.1 工程概况

新疆奎屯河引水工程,位于新疆天山北坡中部,准噶尔盆地西南缘,奎屯市、乌苏市和克拉玛依市独山子区境内,奎屯河流域上游。奎屯河引水工程末端老龙口处北距奎屯市直线距离10 km,从奎屯市至工程区有G217 国道相连,交通便利。奎屯河引水工程属大（1）型Ⅰ等工程。主要由将军庙水利枢纽、山区引水系统、出山口引水系统（核准已建）、团结干渠改造及沿线建筑物等构成。

1.2 计算模型

选取平洞段桩号0+800.00 断面,见图1。该断面隧洞埋深231.3 m,地层岩性为下层西域砾岩,计算参数按工程地质勘察结果选取,见表1。隧洞开挖洞径6.5 m,模型上部范围H1、下部范围H2 和侧向范围H3 分别取46 m,39 m 和46 m,见图2。模型采用笛卡尔直角坐标系,坐标原点位于隧洞的中心位置,其整体坐标系的Y 轴与隧洞轴线方向一致,指向下游为正,铅垂向为Z 轴,向上为正,X 轴以右手法则确定。模型沿洞轴线Y 方向取0.6 m。计算模型总节点数为44590 个,总单元数为37734 个,左右两侧、底部以及上下游两端面均施加法向约束,模型顶部自由,并在顶部施加均布应力模拟上覆岩体,铅直向初始地应力场为自重应力场,应力量值取决于上覆岩体深度及容重,水平向应力根据侧压力系数计算。在隧洞顶拱处、两腰及底部各取一个监测点。

表1 模型计算参数

图1 平洞计算模型

图2 小三维计算模型

1.3 初始地应力场分布

本断面隧洞铅垂向埋深231.3 m,侧压力系数为0.54,初始应力分布见图3～图5。模型计算范围内X 向初始地应力为-3.31 MPa～-2.31 MPa,Y 向初始地应力为-3.31 MPa～-2.31 MPa,Z 向初始地应力为-6.15 MPa～-4.28 MPa。

图3 X 方向(垂直水流向)初始地应力图

图4 Y 方向（水流向）初始地应力图

图5 Z 方向（铅直向）初始地应力图

2 围岩位移及支护方案

2.1 围岩开挖位移与塑性区

采用应力释放法模拟岩体开挖,不施加支护措施时,开挖完成后,围岩X 向位移最大值9.3 cm,位于隧洞两腰处；隧洞顶部Z 向位移最大值11.7 cm；合位移最大值约为11.2 cm,位移分布基本呈左右对称,见图6。

图6 隧洞开挖完成后围岩合位移/m

隧洞开挖后,局部围岩进入塑性状态,塑性区分布基本呈左右对称,最大塑性区深度发生在隧洞腰部约4.0 m,模型核心区域的塑性区分布情况见图7。

图7 隧洞开挖完成后围岩塑性区

2.2 支护方案

开挖洞径6.5 m,隧洞内径5.5 m,初期支护考虑钢拱架、喷层、锚杆和一次衬砌,按照不同的支护施作时机,设计了表2 所示的五个计算方案。计算模型中型钢拱架采用16 型热轧工字钢,全断面架设,钢拱架间距为0.5 m；辅以Φ6 钢筋挂网及5 cm 厚喷护层；在180°范围内布设Φ25 自进式锚杆,兼做固结灌浆孔,孔深4 m；钢筋混凝土衬砌厚45 cm,双层布置HRB335 环向钢筋6Φ25,钢筋间距200 mm。

表2 支护计算方案

2.2.1 方案PD800SG01

（1）开挖支护后围岩位移及塑性区

该方案在开挖后围岩应力释放70%时进行钢拱架及喷锚支护,即初期支护落后于掌子面0.9 m 施加；应力释放90%时施加45 cm 厚的C30 混凝土衬砌,即衬砌落后于掌子面4.0 m 施作。

开挖支护完成后,X 向位移最大值1.3 cm,Z 向位移最大值5.2 cm,合位移最大值约为5.2 cm,位移分布基本呈左右对称,见图8。隧洞开挖支护后,局部围岩进入塑性状态,塑性区最大深度发生在腰部约为1.33 m,见图9,明显小于无支护方案。

图8 隧洞开挖完成后围岩合位移

图9 隧洞开挖完成后围岩塑性区

（2）初期支护结构应力分析

在围岩应力释放70%时进行钢拱架及喷锚支护,即初期支护落后于掌子面0.9 m 施加,应力释放90%时进行C25 混凝土一次衬砌支护,即衬砌落后于掌子面4 m 施加,支护结构受力情况见图10～图11。

图10 一次衬砌混凝土环向应力

图11 一次衬砌钢筋应力

钢拱架承受围岩压力,整体处于受压状态,在腰部轴向应力最大值约为247 MPa；锚杆所受最大拉应力为165 MPa,小于锚杆的承载力设计值为300 MPa；喷层混凝土所受最大环向应力约为14.2 MPa,位于腰部；一次衬砌整体受压,所受环向应力最大值约为4.2 MPa,位于衬砌腰部,衬砌腰部内层钢筋应力最大值为23.0 MPa,衬砌工作性能良好。

2.2.2 方案PD800SG02

（1）开挖支护后围岩位移及塑性区

该方案在开挖后围岩应力释放80%时进行钢拱架及喷锚支护,即初期支护落后于掌子面2 m 施作；应力释放90%时施加C30 混凝土衬砌,即衬砌落后于掌子面4 m 施作。

开挖支护完成后,X 向位移最大值2.1 cm,Z 向位移最大值6.0 cm,合位移最大值约为6.0 cm,位移分布基本呈左右对称,见图12。隧洞开挖支护后,局部围岩进入塑性状态,塑性区最大深度发生在腰部约为1.33 m,见图13,明显小于无支护方案。

图12 隧洞开挖完成后围岩合位移

图13 隧洞开挖完成后围岩塑性区

（2）初期支护结构应力分析

在围岩应力释放80%时进行钢拱架及喷锚支护,应力释放90%时进行一次衬砌支护,支护结构受力情况见图14～图15。钢拱架承受围岩压力,整体处于受压状态,在腰部轴向应力最大值约为134 MPa；锚杆所受最大拉应力为91 MPa,小于锚杆的承载力设计值为300 MPa；混凝土喷层整体受压,腰部所受环向应力最大值7.8 MPa；衬砌整体受压,混凝土环向应力最大值位于腰部为4.3 MPa,衬砌腰部内层钢筋应力最大值为23.4 MPa,衬砌工作性能良好。

图14 一次衬砌混凝土环向应力

图15 一次衬砌钢筋应力

2.2.3 方案PD800SG03

（1）开挖支护后围岩位移及塑性区

该方案在开挖后围岩应力释放80%时施加混凝土喷层及钢筋挂网,即初期支护落后于掌子面0.9 m 施作；应力释放100%时施加C30 混凝土衬砌,即衬砌不承担围岩荷载。

开挖支护完成后,X 向位移最大值2.2 cm,Z 向位移最大值6.2 cm,合位移最大值约为6.2 cm,位移分布基本呈左右对称,见图16。隧洞开挖支护后,局部围岩进入塑性状态,塑性区最大深度发生在腰部约为1.33 m,见图17,明显小于无支护方案。

图16 隧洞开挖完成后围岩合位移

图17 隧洞开挖完成后围岩塑性区

（2）初期支护结构应力分析

在围岩应力释放80%时进行钢拱架及喷锚支护,衬砌不承担围岩荷载,支护结构受力情况见图18～图19。钢拱架承受围岩压力,整体处于受压状态,在腰部轴向应力最大值约为254 MPa；锚杆所受最大拉应力为144 MPa,小于锚杆的承载力设计值为300 MPa；混凝土喷层整体受压,腰部所受环向应力最大值14.5 MPa。

图18 喷层混凝土环向应力

图19 锚杆应力

3 结论

受初始地应力水平和特征限制（此处为自重应力场）,平洞段的围岩变形以竖向变形为主,水平横向变形为辅,因此需要重点关注顶部（腰部偏上区域）的围岩稳定情况。

（1）隧洞无支护开挖完成后,发生指向隧洞内部的位移,位移分布基本呈左右对称,合位移最大值约为11.2 cm,出现在隧洞顶拱两侧,最大塑性区深度约为4.0 m,围岩稳定性较差,需要适时支护,控制围岩变形。

（2）由围岩应力逐级释放下的位移演化情况确定支护时机,在围岩应力释放55%～60%时监测断面出露（即掌子面位置的开挖荷载释放系数为0.55～0.6）,且围岩变形尚在可控范围内,可考虑初期支护的施加。

（3）方案PD800SG02 在开挖后围岩应力释放80%时进行钢拱架及喷锚支护,即初期支护落后于掌子面2 m 施作；应力释放90%时施加45 cm 厚钢筋混凝土衬砌,即衬砌落后于掌子面4 m 施作。支护完成后围岩最大变形为6.0 cm,最大塑性区深度1.33 m,围岩变形在可控制范围内,且钢拱架、锚杆及一次衬砌工作性能良好。

（4）方案PD800SG03 在开挖后围岩应力释放80%时进行钢拱架及喷锚支护,即初期支护落后于掌子面2 m 施作；钢筋混凝土衬砌不承担围岩荷载。支护完成后围岩最大变形为6.2 cm,最大塑性区深度1.33 m,围岩变形在可控制范围内,钢拱架、锚杆和喷层的应力较方案PD800SG02 明显增大。