王勇勝 姚強(qiáng)

摘 要：為研究深埋隧洞開挖過程中的圍巖變形和應(yīng)力情況，確定隧洞支護(hù)體系中的鋼支撐數(shù)量及位置，以楊家灣水電站尾水閘室隧洞的橫向鋼支撐支護(hù)方案為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)不同工況下的鋼支撐支護(hù)方案開展數(shù)值模擬計(jì)算，研究了隧洞在開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況以及隧洞鋼支撐支護(hù)后的效果，其計(jì)算成果為鋼支撐支護(hù)方案的選擇提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水電站;尾水閘室;鋼支撐;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV22? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）10-0153-03

1 工程概況

某水電站為閘壩引水式開發(fā)，水庫正常蓄水位2574m，總庫容96.1萬m3，通過左岸長(zhǎng)11.3km的引水隧洞引水至下游地下廠房發(fā)電，電站共裝機(jī)3臺(tái)，單機(jī)容量20MW，總裝機(jī)容量60MW。工程主要水工建筑物包括首部樞紐擋水及泄水建筑物、取水建筑物、引水建筑物和廠區(qū)樞紐建筑物。

廠區(qū)樞紐的尾水閘室圍巖為新鮮的侏倭組（T3zh）③層之變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖互層，局部夾炭質(zhì)板巖和④層之變質(zhì)砂巖，局部夾砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖巖體。總體來看，圍巖為薄～互層狀結(jié)構(gòu)，綜合為中硬巖，尾水閘室隧洞圍巖以Ⅳ類為主，穩(wěn)定性差。隧洞斷面形式為直墻圓拱形（城門洞），洞高為15.3m，洞跨度為4.9m，隧洞埋深約150m，采用鉆爆法開挖。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，圍巖支護(hù)形式采用厚度為20cm的C20鋼筋混凝土襯砌，隧洞邊墻到拱頂布置33根φ25錨桿，并采用I18鋼拱架和橫向鋼支撐作為隧洞的支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

為確定隧洞支護(hù)體系中的鋼支撐數(shù)量及位置，本文基于大型通用有限元分析軟件ANSYS，研究深埋隧洞開挖過程中的圍巖變形和應(yīng)力情況，驗(yàn)證了隧洞鋼支撐支護(hù)方案選擇的正確性和合理性。

2 計(jì)算模型

2.1構(gòu)建計(jì)算模型

本工程基于有限元分析軟件ANSYS，建立二維平面應(yīng)變模型。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在閘室底板的上游底角，以閘室的短邊為x軸，方向?yàn)閺纳嫌沃赶蛳掠?以閘室的高度為y軸，方向?yàn)閺拈l室底部指向頂部。一般情況下，隧洞周圍大于3倍洞跨以外的圍巖受到隧洞施工的影響較小[1]。因此，本模型選取的計(jì)算邊界，水平方向（x軸）：長(zhǎng)度為隧洞跨度的6倍，即長(zhǎng)度為29.4m;豎直方向（y軸）：隧洞到底部邊界取為洞高的3倍，即隧洞頂部、底部至模型邊界均為45.9m。

建模時(shí)，在對(duì)應(yīng)力、位移較敏感的錨固區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，取較小的單元長(zhǎng)度，并在洞壁進(jìn)行加密;在對(duì)離洞較遠(yuǎn)的圍巖體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，取較大的單元長(zhǎng)度[2]。這樣的網(wǎng)格劃分方法既不影響計(jì)算精度，又可大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，其有限元計(jì)算模型如圖2所示。本計(jì)算模型，隧洞圍巖采用四節(jié)點(diǎn)平面單元（PLANE182），支護(hù)錨桿單元采用LINK1單元，襯砌支護(hù)和鋼支撐結(jié)構(gòu)采用BEAM188單元。圍巖材料和錨固區(qū)采用Drucker-Prager模型，鋼拱架和鋼支撐材料仍按彈性考慮。根據(jù)隧洞埋深情況將模型上部巖體重量換算成均布荷載施加在模型頂部邊界上[3]。在閘室的上游、下游及底部邊界均施加法向約束;頂部為自由邊界，除均布荷載外未受任何約束。計(jì)算模型物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

2.2計(jì)算工況

為研究深埋隧洞開挖過程中的圍巖變形和應(yīng)力情況，確定隧洞支護(hù)體系中的鋼支撐數(shù)量及位置，在計(jì)算模型中共設(shè)置四個(gè)鋼支撐結(jié)構(gòu)，分別沿隧洞高程等間距分布。鋼支撐從上往下依次為上一鋼支撐，上二鋼支撐，上三鋼支撐和下一鋼支撐，通過ANSYS軟件的單元生死功能實(shí)現(xiàn)不同鋼支撐的組合方案[4]。結(jié)合隧洞施工情況，主要分為以下計(jì)算工況：

（1）工況一：開挖后無鋼支撐方案;

（2）工況二：?jiǎn)武撝畏桨福ǚ謩e計(jì)算上一、上二、上三鋼支撐方案）;

（3）工況三：雙鋼支撐方案（分別計(jì)算上一 + 上二、上一 + 上三鋼支撐方案）;

（4）工況四：多鋼支撐方案（分別計(jì)算上一 + 上二 + 上三、全部四條鋼支撐方案）。

3 模擬計(jì)算及分析結(jié)果

通過對(duì)不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧洞圍巖的位移場(chǎng)和塑性區(qū)，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

根據(jù)地質(zhì)資料，尾水閘室隧洞圍巖以Ⅳ類為主，其抗壓強(qiáng)度平均值分布在50～60MPa，在本計(jì)算中取抗壓強(qiáng)度為50MPa。一般情況，隧洞圍巖的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度。由于缺少圍巖的抗拉強(qiáng)度值，根據(jù)巖石的抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/12進(jìn)行換算，在本計(jì)算中抗拉強(qiáng)度取抗壓強(qiáng)度的1/12，即為4.17MPa。C20襯砌混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.1MPa。

（1）在工況一（無鋼支撐）條件下，X方向位移在隧洞頂拱部位達(dá)到最大值，位移方向?yàn)槌蚨磧?nèi)。隧洞頂拱部位出現(xiàn)最大壓應(yīng)力8.1MPa，但小于C20混凝土和圍巖的抗壓強(qiáng)度;圍巖的最大拉應(yīng)力為4.73MPa，超過了C20混凝土抗拉強(qiáng)度1.1MPa和圍巖抗拉強(qiáng)度4.17MPa。計(jì)算結(jié)果表明，隧洞結(jié)構(gòu)可能將發(fā)生局部拉裂破壞，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施保證施工安全。

（2）在工況二（單鋼支撐）條件下，與工況一相比，X方向最大位移向隧洞邊墻下部轉(zhuǎn)移，頂拱部位位移減小，隧洞周邊圍巖和襯砌應(yīng)力條件有了較大改善，最大壓應(yīng)力為8.34MPa，小于C20混凝土和圍巖的抗壓強(qiáng)度;最大拉應(yīng)力值明顯減小，為0.1MPa，小于C20混凝土和圍巖的抗拉強(qiáng)度。在有鋼支撐部位，圍巖和襯砌的應(yīng)力和變形均減小，分布較均勻，最大應(yīng)力和變形向無鋼支撐部位轉(zhuǎn)移。

（3）在工況三（雙鋼支撐）條件下，隧洞周邊圍巖和襯砌應(yīng)力條件相比工況二有了更好的改善，最大壓應(yīng)力為8.19MPa;最大拉應(yīng)力值明顯減小，僅為0.18MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。在有鋼支撐部位，圍巖和襯砌的應(yīng)力和變形均減小，分布更為均勻，最大應(yīng)力和變形向下部無鋼支撐部位轉(zhuǎn)移。鋼支撐方案（上一+上三）的有限元計(jì)算成果如圖3所示。

（4）在工況四（多鋼支撐）條件下，X方向最大位移沒有進(jìn)一步向隧洞邊墻下部轉(zhuǎn)移，而是出現(xiàn)在隧洞邊墻中部，位移方向也為朝向洞內(nèi)。隧洞圍巖和襯砌應(yīng)力分布規(guī)律與工況三類似，第一主應(yīng)力最大值0.10MPa（拉應(yīng)力）和最小值2.34MPa（壓應(yīng)力）均出現(xiàn)在隧洞邊墻中部。第三主應(yīng)力最小值8.10MPa（壓應(yīng)力）也出現(xiàn)在隧洞邊墻中部，無拉應(yīng)力存在。

數(shù)值模擬計(jì)算成果表明：雙鋼支撐方案在應(yīng)力和變形大小、分布規(guī)律上更優(yōu)于單鋼支撐方案;雙鋼支撐方案和多鋼支撐方案在應(yīng)力和變形大小、分布規(guī)律上相差不大?？紤]現(xiàn)場(chǎng)方便施工，建議采用雙鋼支撐方案（上一+上三鋼支撐），可以滿足安全施工的要求。

4結(jié)語

本文基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)不同工況下的隧洞鋼支撐支護(hù)方案開展數(shù)值模擬分析，研究了隧洞在開挖過程中的應(yīng)力變化情況，其數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為鋼支撐支護(hù)方案的選擇提供了理論依據(jù)，并且可使工程建設(shè)更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

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