劉 迪

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110006）

一直以來(lái)，我國(guó)水資源呈現(xiàn)東多西少，南多北少的分布不均態(tài)勢(shì)，需要通過(guò)建設(shè)水工引水隧洞實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)水以達(dá)到對(duì)水資源進(jìn)行合理調(diào)配的目的[1]。眾所周知，引水隧洞普遍都存在于山石巖體或是地下暗挖的、具有封閉性的斷面之中,與此同時(shí)，隧洞還會(huì)受到地質(zhì)條件、安全穩(wěn)定性等因素的影響，這些情況的存在也直接或間接地使隧洞施工存在很多難度和挑戰(zhàn)[2]。

為了解決引水隧洞襯砌存在的諸多問(wèn)題，一些專家和學(xué)者也提出了多種理論，像普羅托基亞柯諾夫支持的的散體壓力理論，郎肯、海姆所支持的古典壓力相關(guān)的理論[3]，以及后來(lái)對(duì)圍巖穩(wěn)定分析進(jìn)行不斷的迭代與更新，如彈塑性理論、粘彈塑性理論等，盡管經(jīng)歷了多年的不斷發(fā)展，但目前為止，一直都沒(méi)有形成完整系統(tǒng)的理論體系支撐[4]。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，尤其是近十年來(lái)，我國(guó)一直對(duì)水工隧洞襯砌方法、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，在隧洞建設(shè)的某些領(lǐng)域方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但與此同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在該領(lǐng)域研究的仍然存在的不足，當(dāng)前我們對(duì)于水工引水隧洞襯砌在圍巖穩(wěn)定分析、襯砌模型模擬實(shí)驗(yàn)、模型的構(gòu)建技術(shù)等方面仍然需要進(jìn)行更加深入的研究與探索，比如從隧洞建設(shè)的地質(zhì)條件復(fù)雜程度的角度來(lái)進(jìn)行模型的構(gòu)筑以及實(shí)驗(yàn)來(lái)講，傳統(tǒng)的方法很難做到具體問(wèn)題具體分析，因此為了避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)的失誤，需要采用軟件進(jìn)行模擬分析，從這個(gè)方面來(lái)看，ANSYS軟件中獨(dú)有的生死單元技術(shù)通過(guò)在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)局部的結(jié)構(gòu)或材料的增加或減少情況，將計(jì)算的參數(shù)值進(jìn)行放大處理，建立相關(guān)模型，并且對(duì)整個(gè)變化過(guò)程進(jìn)行模擬，提供出計(jì)算方法。

本次研究從實(shí)際圍巖狀況進(jìn)行建模、模擬分析以及細(xì)化計(jì)算，采用ANSYS有限元軟件結(jié)合北京理正軟件對(duì)引水隧洞不同地質(zhì)條件不同工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析，更貼切地算出荷載值，進(jìn)而使支護(hù)設(shè)計(jì)切合實(shí)際，以便達(dá)到工程設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和實(shí)用性要求，為實(shí)際工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和參考意見(jiàn)。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

本工程的取水口設(shè)立于石頭口門水庫(kù)左側(cè)，該位置距離壩址大概為1 500m，，底板高程經(jīng)測(cè)量為179.00m，在該支線線路布置中，石頭口門取水口位置一般都在低山區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件和水位要求，決定在該段采用隧洞型式進(jìn)行引水。根據(jù)地勘報(bào)告，從取水口的位置擬建設(shè)一個(gè)2 000m長(zhǎng)的輸水隧洞，隧洞尺寸擬為寬×高：4.0m×5.0m，隧洞底坡的坡比選取為1:2 000。根據(jù)總體布置要求，以及地形地質(zhì)條件，進(jìn)、出口建議選在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、巖體完整、風(fēng)化覆蓋層較淺的地區(qū)，盡量避開(kāi)不良地質(zhì)構(gòu)造和容易發(fā)生崩塌、沖溝、危崖、滑坡的地區(qū)[5]。進(jìn)、出口位置和兩側(cè)邊坡應(yīng)當(dāng)避免高邊坡進(jìn)行開(kāi)挖。因?yàn)樵撐恢玫匦螢榈颓鸶吲_(tái)地，起伏情況不大。并且隧洞進(jìn)出口地形坡比較緩慢，坡度只有25°，受壓坡線限制，如果采用淺埋隧洞和管線組合方案，因隧洞埋深不深，周邊巖石強(qiáng)度不高，自穩(wěn)能力不好，施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)性，進(jìn)而導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，增加很多不確定因素；另外，假如采用深埋隧洞配合管線組合的方法，該位置巖石風(fēng)化層很厚，隧洞圍巖類別幾乎相同，將原布置的管線位置更換為淺埋隧洞，同樣很難解決。

因此，確定最合適的隧洞以及他們分界的位置就顯得尤為重要，從節(jié)省工程造價(jià)、保護(hù)自然環(huán)境和工程運(yùn)行安全角度來(lái)說(shuō)，具有重要的意義。

1.2 工程地質(zhì)

按地層區(qū)劃，區(qū)域地層巖性中第四系地層以殘坡積層和全新統(tǒng)長(zhǎng)樂(lè)組積層為主，厚度一般在50m以下?；鶐r主要有早期侵入的黑云母花崗巖、混合花崗巖和二長(zhǎng)花崗巖等。

工程區(qū)位于中生界地層變質(zhì)帶上，為典型的中生代低壓型區(qū)域變質(zhì)帶，混合巖化強(qiáng)烈，混合巖、混合花崗巖分布廣泛，夾有淺色粗、細(xì)碎屑巖－泥巖，并進(jìn)而形成變質(zhì)交代型二長(zhǎng)花崗巖體侵入。工程區(qū)構(gòu)造單元上屬于吉林省中部變質(zhì)帶，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，呈北向東分布，寬18—28km，長(zhǎng)大于40km。

2 九德支線水工隧洞實(shí)例分析

2.1 內(nèi)力分析及計(jì)算工況的選取

（1）內(nèi)力分析

表1 隧洞圍巖分類及建議設(shè)計(jì)指標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)選擇兩個(gè)較為典型的隧洞斷面來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)斷面分別為樁號(hào)1+300的隧洞洞斷面、2+150的隧洞洞斷面，根據(jù)上表可知1+300、2+150斷面分別屬于II、III類圍巖。

①圍巖壓力

垂直均布?jí)毫?biāo)準(zhǔn)值

式中qvk為垂直均布?jí)毫Φ臉?biāo)準(zhǔn)值，KN/m2；B為洞室開(kāi)挖寬度，m；γR為巖體容重，KN/m3。

水平均布?jí)毫?biāo)準(zhǔn)值

式中：qhk為水平均布?jí)毫?biāo)準(zhǔn)值，KN/m2。H為洞室開(kāi)挖高度，m[6]。

②外水壓力

作用在混凝土、襯砌結(jié)構(gòu)上的外來(lái)水的壓力，可按下式估算：

式中：Pek為作用在襯砌上的外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βe為外水壓力折減系數(shù)，γw為水的比重，kN/m3，取為9.80kN/m3；He為作用水頭，m[7]。

③彈性抗力

根據(jù)規(guī)范非圓形斷面隧洞的巖石抗力系數(shù)一般是利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)彈性抗力確定。

④灌漿壓力

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)該隧洞的頂拱的灌漿方式使用的方案為回填灌漿，該壓力標(biāo)準(zhǔn)值一般取0.2—0.5MPa。

（2）計(jì)算工況的選取見(jiàn)表2：

表2 計(jì)算工況

2.2 理正計(jì)算分析成果

1+300 洞斷面和2+150兩個(gè)洞斷面通過(guò)理正軟件進(jìn)行模擬分析，分析工況選取最不利組合的條件下所計(jì)算的軸力圖以及彎矩圖。

0+320 斷面Ⅱ類圍巖，見(jiàn)圖1—2：

圖1 軸力圖

圖2 彎矩圖

1+200 斷面Ⅲ類圍巖，見(jiàn)圖3—4：

圖3 軸力圖

圖4 彎矩圖

2.3 ANSYS有限元分析

（1）有限元模型的建立

本文進(jìn)行的分析隧洞斷面選擇的兩個(gè)樁號(hào)的洞斷面作進(jìn)行模擬開(kāi)挖的方式選擇為目前技術(shù)比較成熟的TBM掘金法進(jìn)行隧洞開(kāi)挖工作，其開(kāi)挖洞徑為4.8m，開(kāi)挖后對(duì)其進(jìn)行襯砌處理，處理后的洞徑擬為4 m。經(jīng)過(guò)之前對(duì)地質(zhì)情況的介紹，確定從取水口的位置擬建設(shè)一個(gè)2 000m長(zhǎng)的輸水隧洞，隧洞尺寸擬為寬×高：4.0m×5.0m，隧洞底坡的坡比選取為1:2 000。。

表3 城門洞形水工隧洞襯砌計(jì)算成果表 單位：KN.M

本次實(shí)驗(yàn)首先需要建立有限元模型的坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行建模工作，見(jiàn)圖5—7。根據(jù)規(guī)范要求提可知，本次分析模型的洞涇范圍進(jìn)行放大細(xì)分為10倍洞徑，其中Y方向從-40m到60 m，X方向從-40 m到40 m，范圍為80×100m，共劃分15398個(gè)單元。圍巖、開(kāi)挖及噴護(hù)區(qū)采用plane42單元模擬，二次襯砌采用beam188單元模擬。

圖5 城門洞形有壓隧洞模型

圖6 II類圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)

圖7 Ⅲ類圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)

0+320斷面II類圍巖分析見(jiàn)圖8—9：

圖8 施工期襯砌彎矩圖

圖9 施工期襯砌軸力圖

1+200 斷面Ⅲ類圍巖分析見(jiàn)圖10—11：

圖10 施工期襯砌彎矩圖

圖11 施工期襯砌軸力圖

（2）計(jì)算成果對(duì)比分析

1）隧洞在水平方向的位移特別小，在施工期的豎直方向卻產(chǎn)生了最大豎直位移，II、Ⅲ類圍巖的最大值分別為1.60 mm和3.18 mm；在施工期產(chǎn)生隧洞斷面的總位移最大值，II、Ⅲ類圍巖最大位移分別是1.59 mm以及3.18 mm，隧洞的頂拱產(chǎn)生位移的最大值，通過(guò)得到的ANSYS位移云圖結(jié)果可知，隧洞所在位置的地表沉降均勻，地質(zhì)條件也非常好，兩個(gè)典型洞斷面的計(jì)算的位移數(shù)值都很小，說(shuō)明隧洞所圍巖狀態(tài)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全。

2）根據(jù)模擬分析結(jié)果：II、Ⅲ類圍巖初砌的第一、三主應(yīng)力值在施工期存在最大值，第一主應(yīng)力最大值分別為0.97MPa、1.7MPa，第三主應(yīng)力最大值分別為2.48MPa和4.19MPa，通過(guò)上面得出的計(jì)算應(yīng)力數(shù)值都非常小，可以確定隧洞的拱頂以及其他位置不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

（3）根據(jù)上述得到的彎矩圖和軸力圖，在施工期工況條件下時(shí)，II、Ⅲ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力值均出現(xiàn)了最大值，可是在運(yùn)行期和檢修期工況下的數(shù)值就明顯較小，綜上所述出現(xiàn)內(nèi)力最大值為施工期，并且結(jié)合理正的結(jié)果其變化規(guī)律以及數(shù)值反映出的趨勢(shì)是一致的，由此可見(jiàn)，該分析過(guò)程通過(guò)對(duì)不同種類圍巖的不同工況條件下的分析具有代表性，可以為相似類型或者相近工況工程的襯砌提供參考意見(jiàn)。

3 結(jié)論

因?yàn)樗ひ矶唇^大部分都存在于II、Ⅲ類圍巖當(dāng)中，可以占比到目前國(guó)內(nèi)所建設(shè)隧洞的82%，究其原因是上述種類圍巖條件較好，圍巖結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定，成洞條件更加有利于施工，更加安全與穩(wěn)定，施工開(kāi)挖對(duì)圍巖所造成的變形和位移很小，所導(dǎo)致的圍巖水平位移也可以說(shuō)是微乎其微，主要的豎直位移也可以保證在合理安全范圍內(nèi)，所以在施工中基本不會(huì)出現(xiàn)較大的變形和位移問(wèn)題，通過(guò)兩種軟件的模擬分析，施工期的內(nèi)力計(jì)算值都不大，運(yùn)行期由于隧洞外部雖然有圍巖壓力及其他力，但是隧洞內(nèi)部存在外水壓力所以數(shù)值不大，而施工期因?yàn)榇嬖诠酀{壓力無(wú)內(nèi)水壓力，所以產(chǎn)生的位移偏大，因而在通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)其分析時(shí)全部采用的最不利組合情況更加具有代表性和真實(shí)性，結(jié)果是無(wú)論圍巖穩(wěn)定還是襯砌都是非常安全的。所以無(wú)論是II、Ⅲ類圍巖，其彎矩值都很小，不同工況下的軸力都是拉應(yīng)力，雖然計(jì)算結(jié)果值相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大，但都在最大允許值范圍內(nèi)，由此可見(jiàn)，本次對(duì)水工引水隧洞的數(shù)值模擬分析是非常成功的，具有代表性的，希望可以為相似類型或者相近工況工程的襯砌提供參考意見(jiàn)。