引水隧洞开挖支护方案围岩稳定的非线性有限元模拟

第８卷第５期　南水北调与水利科技　Ｖｏ１．８　Ｎｏ．５　２０１０年１０月　Ｓｏｕｔｈ－ｔｏ－Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　０ｅｔ．２０１０　ｄｏｉ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１２０１．２０１０．０５１５３　引水隧洞开挖支护方案围岩稳定的非线性有限元模拟　王小军，周　慧，蒋　兵　（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐８３００００）　摘要：将围岩与衬砌结构看做整体承载结构，将围岩结构视为弹塑性体，结合工程实例，采用ＡＢＱＵＳ非线性有限元软　件，对Ⅳ、Ｖ类围岩洞段进行模拟计算，从塑性变形的角度分析围岩稳定性并提出合理支护方案。模拟分析结果为：Ⅳ　类围岩稳定性较差，支护处理后，顶拱塑性区基本消失；Ｖ类围岩稳定性很差，必须进行超固处理。研究结果对同类型　其他引水隧洞工程围岩稳定评价及支护设计具有一定指导意义。　关键词：引水隧洞；围岩稳定；非线性有限元　中图分类号：ＴＶ５５４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１６８３（２０１０）０５—０１５３－０４　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｊｕｎ。ＺＨＯＵ　Ｈｕｉ，Ｊ１ＡＮＧ　Ｂｉｎｇ　（ＸｉｎｊｉａｎｇＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ［－ｔｙｄｒｏｐｏｚｔｅｒ，ＭＷＲ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００００，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｅｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｓ　ｗｈｏｌｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｓ　ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｃａｓｅ，ｕｓｉｎｇ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ－ＡＢＱＵＳ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｕｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ（；ｌａｓｓ　ＩＶ　ａｎｄ　Ｖ　ｓｕｒｒｏｌｍｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆ０ｒｗａｒｄ　ｒａｔｉｏｎａＩ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＩＶ　ｉｓ　ｗｏｒｓｅ，ａｆｔｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ，ｐｌａｓｔｉｃ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　ｕｐ－ａｒｃｈ　ｆａｄｅｓ　ａｗａｙ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ；ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｖ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｉｓ　ｑｕｉｔｅ　ｗｏｒｓｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｆｙｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｒｉｆｎｇ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｅｎｓｅ　ｆｏｒ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｔｈｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　随着水利工程项目的不断开发，水电站引水隧洞建设也　白色斑状黑云二长花岗岩、花岗闪长岩及少量石英二长岩、三　愈来愈多，围岩稳定问题一直是引水隧洞工程中设计人员所　叠系上统侏倭组灰一深灰色薄至中厚变质砂岩与灰黑、深灰　关注的问题。围岩稳定与隧洞开挖时的应力充分布及嗣岩的　色粉砂岩、泥质卷云板岩不等厚互层。其中，燕１ｌＪ早期侵入的　强度有关。围岩稳定性的分析是结合地质条件及岩石的力学　灰白色斑状黑云二长花岗岩、花岗闪长岩等分布于引水隧洞　性质、初始应力状态、施工方法等因素，初步选择洞室轴线和　进口和隧洞中前段，以Ⅳ～Ｖ类围岩为主。　断面，然后用弹性理论或有限元法计算围岩应力，并与围岩的　极限强度进行比较＿ｌ　］。而对于Ⅳ、Ｖ类较差洞段的围岩，岩　２计算模型及计算参数　体应力一般会超过其弹性极限而产生塑性区。在工程实际　２．１计算理论假定　中，基于有限元方法及软件，通过分析研究地质资料，建立合　围岩非线性模型采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ弹塑性模型，运用　理的围岩及支护结构有限元模型，从塑性变形的角度分析探　ＭＣ屈服准则判断围岩开挖及初期支护的稳定性　。支护　讨围岩的稳定性［３］，具有一定实际意义。　模型采用线弹性模型　］，其中：锚杆单元采用植入型杆单元　１工程概况　模拟＿７　；喷混凝土单元采用薄壳单元模拟＿８　。围岩进行纯　开挖模拟时，程序将围岩开挖部分的岩体刚度降到一个趋　某水电站隧洞引用流量为３４０　ｍ３／ｓ，采用隧洞形式为圆　近于零的值，使该部分岩体失效　根据工程经验，围岩开挖　形，开挖洞径拟为１２￣１４．６　Ｉｎ，隧洞过水直径拟为１１～１４　ｉｎ。　后至初期支护完成之前，围岩一般已释放总释放应力的　该水电站引水线路除尾段较单薄外，山体雄厚，谷坡陡　２Ｏ　～６ｏ　（与围岩岩性、初期支护方式及支护工期的长短　峻，地表冲沟发育。隧洞穿越地层主要为燕山早期侵入的灰　有关），即初期支护将参与承担４Ｏ　～８Ｏ　的围岩残余应力　收稿日期：２０１０—０５—２８　修回日期：２０１０—０７—０４　作者简介：王小军（１９８４一），男，甘肃天水人．工学硕士，主要从事水工建筑物应力数值分析等方面的研究。　“　工程　技　朱．１５３．　第８卷总第５Ｏ期・南水北调与水利科技・２０１０年第５期　释放　。　２．０　ｍ之间，可取１０　ｍ洞深（包含５排以上锚杆）为计算深　２．２计算方案及模型　度。计算简图见图１。　本阶段根据隧洞开挖洞径的大小分Ａ、Ｂ两组方案，各方　案开挖尺寸及初期支护形式如表１。　表１隧洞开挖尺寸及初期支护方案　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｅａｒｌｙ　ｓｕｐｐｏｓｉｎｇ　ｓｃｈｅｒｎｅｓ　图１有限元模型（整体模型／支护模型）　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ（ｗｈｏｌｅ　ｍｏｄｅｌ／ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ１）　进行分析，进行　　Ａ　Ｂ　、丽组的开挖直径范在１Ｎ　Ｉ　２～．１孚４　６洞　１Ｔ　Ｉ　之间，可　３计算参数　一。’。。　。￣－－ｇａ计算域范围为１００　ｍＸ　１００　Ｉｎ，锚杆的间排距为１．０～　围岩分类及各项参数见表２。　表２围岩分类及参数　Ｔａｂｌｅ　２　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　眦　Ｉ阵　舀　引水隧洞最大埋深约１５０　ＥＦｔ，计算域在高度方向上为１００　ｍ，隧洞在计算域中部，对应埋深为５０　ｎｌ，因此计算域顶部折　算山岩压力为（１５ｏ一５０）×２．６３×９．８１／１　０００：２．５８　ＭＰａ；按　工程类比，围岩的侧向压力系数Ｋ取０．８Ｏ。　４计算结果分析　４．１　Ａ组Ⅳ类围岩　隧洞计算埋深为１５０　ｒｎ，根据工程经验，Ａ组Ⅳ类围岩只　选用参数２（即表２括号中数据）进行分析计算。计算结果见　表３及图２、３。　表３　Ａ组Ⅳ类围岩计算结果列表（参数２）　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｌｉｓｔ　ｔＷＯ　ｏｆ　ｉＶ—Ａ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ（ｐａｒａｍｅｔｅｒ　２　Ｊ　计算结果表明：Ⅳ类围岩在１２．５　ｍ圆形开挖洞径下，隧　洞两侧会产生约６　Ｉｎ深的塑性区，顶拱也将产生约４　Ｉｎ深的　图３　Ａ组Ⅳ类围岩锚杆＋喷混凝土支护塑性开展云图　塑性区；支护处理后，顶拱塑性区基本消失；若Ⅳ类围岩整体　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｚｏｎｅ　ｃｌｏｕｄ　ｄｒａｗ　ｏｆ　ＩＶ—Ａ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｂｙ　性相对较好，则侧向塑性区也基本消失。反之，由于侧向塑性　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒ　ｗｉｔｈ　ｓｐｒａｙｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　区开展深度较大，塑性区将仍旧存在。因此，Ⅳ类围岩采用长　４．２　Ａ组Ｖ类围岩　度为６　Ｉｎ的锚杆及１５　ｃｍ厚喷混凝土支护处理略显不足，在　隧洞计算埋深为１５０　ｒｎ，Ａ组Ｖ类围岩隧洞不同参数计算　局部地区侧向应加长锚杆长度，并采取钢支撑。　结果见表４及图４、图５。　．１５４・　土　吞　■阿王小军等・引水隧洞开挖支护方案围岩稳定的非线性有限元模拟　表４　Ａ组Ｖ类围岩开挖支护计算结果列表　Ｔａｂｌｅ　４　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｌｉｓｔ　ｏｆ　Ｖ—Ａ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｗｉｔｈ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ＰＥＥＱ　（Ａｖｇ：　Ｉ９５　ｌ　髀＋“４．９４６ｅ蛳０＋３＿＋４．０４５９７ｅ－００；ｊ　　ｉｌＩ　３．１４７　６　ａ９８ｏｎ＋　１．７９８ｅ　－０引０　ｊ　＋８．９９２　ｅ“４ｑ６０－－Ｌ＋２　２２０　一１６　０；　图４　Ａ组Ｖ　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｒＯＣ　图５　Ａ组Ｖ围岩支护处理后塑性开展云图　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｚｏｎｅ　ｃｌｏｕｄ　ｄｒａｗ　ｏｆ　Ｖ—Ａ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｆｔｅｒ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　计算结果表明：Ｖ类围岩在１２．９　ｍ圆形开挖洞径下，隧　洞四周的塑性开展宽度将大于洞径，无法成洞，必须进行超固　处理；采用超前锚杆固结灌浆等支护处理后，顶部塑性高度控　制到了３　ｍ，侧向塑性区宽度控制到了４　ｍ。建议增长锚杆长　度，或者采用预应力锚索，增大锚固范围。　４．３　Ｂ组Ⅳ类围岩　隧洞计算埋深为１５０　ｍ，Ｂ组Ⅳ类围岩隧洞不同参数计算　结果见表５、表６及图６、图７。计算结果表明：Ⅳ类围岩在１４　ｍ圆形开挖洞径下，隧洞两侧会产生约４～６　ｍ深的塑性区，　顶拱也将产生约Ｏ～４　ｍ深的塑性区；支护处理后，顶拱塑性　区基本消失，由于侧向塑性区开展深度较大，塑性区将仍旧存　在，范围约２．５～４．５　ｍ。因此，Ⅳ围岩采用长度为６　ｍ的锚杆　及１５　ｃｍ厚喷混凝土支护处理略显不足，应加长侧向围岩的　锚杆长度，并采取钢拱架处理。　４．４　Ｂ组Ｖ类围岩　隧洞计算埋深为１５０　ｍ，围岩参数见表２，Ａ组Ｖ类围岩　隧洞计算结果见表７及图８、图９。计算结果表明：Ｖ类围岩　在１４．６　ｍ圆形开挖洞径下，隧洞四周的塑性开展宽度将大于　洞径，无法成洞，必须进行超固处理；采用超前锚杆固结灌浆　等支护处理后，顶部塑性高度控制到了３　１２１，侧向塑性区宽度　控制到了４　ｍ。建议增长锚杆长度，或者采用预应力锚索，增　大锚固范围。　表５　Ｂ组Ⅳ类围岩开挖支护计算结果列表（砷　ｉｌ障吐　∞矾　舛＝３上Ｄ　２盘４　１●９８６５４２　２　。昕　∞　醯∞　３上　参数１结果）　Ｔａｂｌｅ　５　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｌｉｓｔ　ｏｎｅ　ｏｆ　ＩＶ—Ｂ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　∞￡！舵　∞∞∞∞∞∞∞　（ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　１）　表６　Ｂ组Ⅳ类围岩开挖支护计算结果列表（参数２结果）　Ｔａｂｌｅ　６　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｌｉｓｔ　ｔｗｏ　ｏｆ　ＩＶ　Ｂ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　（ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　２）　ＰＥＥＱ　ｆ　ａ）参数Ｉ结果　】参数２结粜　图７　Ｂ组Ⅳ类围岩锚杆＋喷混凝土支护塑性开展云图　Ｆｉｇ．７　Ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｚｏｎｅ　ｃｌｏｕｄ　ｄｒａｗ　ｏｆ　ＩＶ　Ｂ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｂｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒ　ｗｉｔｈ　ｓｐｒａｙｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．　表７　Ｂ组Ｖ类围岩开挖支护计算结果　Ｔａｂｌｅ　７　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｌｉｓｔ　ｏｆ　Ｖ—Ｂ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｗｉｔｈ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　４．５支护方案拟定　根据上述计算结论，确定初期支护方案，见表８。　５结语　由上述计算分析可知：Ⅳ围岩稳定性较差，纯开挖顶拱塑　。　一。工程　技朱。．１５５．