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        深部引水隧洞交岔口穩(wěn)定性仿真計(jì)算分析

        2019-03-28 07:09:34鄧浩浩
        北方交通 2019年3期
        關(guān)鍵詞:岔口三角區(qū)干線

        茹 榮,鄧浩浩

        (浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州市 310014)

        0 引言

        在高山峽谷地區(qū)修建大型水利水電的工程中出現(xiàn)大洞徑、埋深大的引水隧洞。引水隧洞中交岔口處圍巖的受力情況和破壞特征尤為重要。李龍福等[1]對(duì)軟巖交叉巷道開挖圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;郭寶華等[2-3]通過數(shù)值模擬分析了圍巖強(qiáng)度、交岔點(diǎn)埋深及開挖步距等因素對(duì)交岔點(diǎn)圍巖穩(wěn)定性的影響,比較了不同交岔形式的圍巖變形值、支承壓力集中系數(shù)以及塑性區(qū)范圍,并通過正交試驗(yàn)對(duì)不同圍巖強(qiáng)度巷道交岔點(diǎn)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行極差、方差分析,提出了適合交岔點(diǎn)布置的側(cè)壓系數(shù)范圍;眾多學(xué)者對(duì)開挖卸荷載引起的回彈應(yīng)力和二次地應(yīng)力場(chǎng)分布,及其穩(wěn)定性開展了大量研究[4-7]。已有研究表明,深部隧洞交岔口的受力情況和應(yīng)力分布及破壞過程極其復(fù)雜,現(xiàn)有理論還不能完全解釋實(shí)際工程中所出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象[8-12]。

        依托山西中部引黃工程,利用ABAQUS有限元分析軟件建立數(shù)值模型,對(duì)總干2#隧洞和東、西干處斷面突變的交岔口進(jìn)行開挖模擬,分析了斷面突變對(duì)交岔口三角區(qū)應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的演化規(guī)律的影響。

        本引黃工程總干2#隧洞凈寬3.6m,直墻高度3.2m,拱頂圓弧半徑1.8m;東干隧洞凈寬3m,直墻高2.8m,拱頂圓弧半徑1.62m,弧度為135°;西干隧洞凈寬2.5m,直墻高2.2m,拱頂圓弧半徑1.35m,弧度為135°。西干線軸線與總干線軸線位于同一直線上,西干線沿水流方向在距分水口中心點(diǎn)(西干0+000.0)5m處隧洞截面凈寬由3.6m逐漸減小至2.5m。東干線與總干線交叉處以圓弧連接,圓弧半徑為3m。東干線與西干線以半徑為0.5m的圓弧連接。西干線軸線與總干線軸線位于同一條直線上,東干線與西干線軸線夾角為52°23′34″。

        1 破壞機(jī)理理論分析

        在隧洞開挖前,未受擾動(dòng)的巖體大多處于彈性變形狀態(tài)。隧洞開挖后,開挖面上支撐壓力消失,表層圍巖處于零圍壓狀態(tài),將出現(xiàn)徑向應(yīng)力松弛和切向應(yīng)力集中現(xiàn)象,局部圍巖區(qū)域?qū)⒁蚯邢驊?yīng)力集中而形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū),這將成為隧洞的危險(xiǎn)區(qū)域,易出現(xiàn)圍巖破裂現(xiàn)象。應(yīng)力水平顯著超過圍巖強(qiáng)度時(shí),隧洞一定范圍內(nèi)圍巖處于屈服狀態(tài),即形成屈服區(qū)。若圍巖應(yīng)力大于最大承載強(qiáng)度,則隧洞將會(huì)破壞。破壞通用條件可用公式表示為:

        σmax≥[σy]

        (1)

        式中:σmax為圍巖破壞準(zhǔn)則定義的應(yīng)力最大值;σy為相應(yīng)圍巖破壞準(zhǔn)則的圍巖強(qiáng)度。

        眾多強(qiáng)度理論中,莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論是巖石力學(xué)中應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)度理論之一,以巖石所處應(yīng)力狀態(tài)為參量,研究其與巖石破壞的關(guān)系,當(dāng)其所處應(yīng)力狀態(tài)越接近極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí),其發(fā)生破壞的可能性越高。計(jì)算采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

        τ=c+σ·tanφ

        (2)

        式中:τ為巖土體抗剪強(qiáng)度;c為巖體的粘聚力;σ為破壞面上的正應(yīng)力;φ為巖體的內(nèi)摩擦角。

        2 計(jì)算模型

        2.1 模型建立及參數(shù)確定

        隧洞計(jì)算范圍:沿總干縱軸線方向?yàn)閆軸,以總干、東干縱軸線交點(diǎn)為原點(diǎn),總干引水隧洞與西干引水隧洞共取13m;總干橫截面方向?yàn)閄軸,X軸負(fù)向取7m,X軸正向取10m;豎直方向?yàn)閅軸,向上取30m,向下取20m,共50m。計(jì)算模型尺寸:-7m≤X≤10m,-20m≤Y≤30m,-5m≤Z≤8m。圖1、圖2分別為交岔口隧洞模型和計(jì)算模型,表1是計(jì)算力學(xué)參數(shù)。

        圖1 交岔口隧洞模型

        圖2 計(jì)算模型

        圍巖類別密度(kg/m3)彈性模量E(GPa)泊松比μ粘聚力C(MPa)內(nèi)摩擦角φ(°)圍巖(Ⅲ類)2500100.281.040襯砌2400300.30//

        2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

        模型Y=-20m底面固定,Y=30m頂面自由面,為滿足深部巖體的地應(yīng)力條件,在Y=30m表面施加2.75MPa的豎向應(yīng)力;X=-7m、X=+10m側(cè)面,限制其X方向位移;Z=-20m、Z=+30m側(cè)面限制其Z方向位移。整體網(wǎng)格劃分共30652節(jié)點(diǎn)、1089個(gè)六面體和17383個(gè)四面體單元,其中襯砌網(wǎng)格劃分見圖3。計(jì)算過程中采用表1所示的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。地應(yīng)力場(chǎng)以自重應(yīng)力為主。圍巖按照彈塑性材料考慮,本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)倫模型;襯砌混凝土采用實(shí)體單元彈性模型。

        圖3 襯砌網(wǎng)格

        2.3 數(shù)值模擬過程

        擬對(duì)引水隧洞交岔口不同應(yīng)力釋放系數(shù)的各種工況進(jìn)行仿真計(jì)算,總干和東、西干隧洞共分為7步開挖,先由總干開挖8m,總干開挖模擬完成后再模擬東干開挖,最后模擬西干隧洞開挖。每一步開挖的模擬過程如下:

        (1)通過正演計(jì)算提取應(yīng)力作為內(nèi)力然后再施加重力荷載進(jìn)行平衡,從而實(shí)現(xiàn)初始應(yīng)力場(chǎng)的施加同時(shí)保證初始位移為零;

        (2)采用“MODEL CHANGE,REMOVE”和“MODEL CHANGE,ADD”兩個(gè)關(guān)鍵詞,模擬總干隧洞土體單元的移除與襯砌單元添加,并對(duì)此單元賦予新的材料參數(shù);

        (3)重復(fù)2步驟,進(jìn)行東、西干隧洞的開挖模擬。

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 交岔口三角區(qū)圍巖應(yīng)力分析

        圖4為交岔口三角區(qū)應(yīng)力等值線變化示意圖。水流由總干2#流向東、西干,在交岔口處隧洞斷面尺寸出現(xiàn)明顯減小,其中總干2#過渡到東干,斷面寬度由3.6m逐漸減小至3m,總干2#過渡到西干,斷面寬度由3.6m逐漸減小至2.5m。由圖4得,東干隧洞三角區(qū)附近圍巖應(yīng)力變化梯度明顯比西干隧洞大,隧洞圍巖受到的拉力大于西干隧洞,主要因東、西干隧洞在交岔口處隧洞斷面均出現(xiàn)不同程度減小,東干斷面寬度大于西干隧洞。在施工階段,需研究三角區(qū)域圍巖受力特性及塑性區(qū)范圍大小,加強(qiáng)交岔口連接處及三角區(qū)外側(cè)的支護(hù)參數(shù)。對(duì)于斷面尺寸突變的交岔口三角區(qū)可采用非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,關(guān)鍵是控制大斷面隧洞三角區(qū)側(cè)的圍巖位移與穩(wěn)定性。

        圖4 交岔口三角區(qū)應(yīng)力等值線變化示意圖

        3.2 交岔口圍巖力學(xué)特性分析

        隧洞開挖改變了圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng),圖5是交岔口開挖襯砌完成后,東干線0+003.73斷面(X=-3)水平位移圖。由圖得,東干(X=-3)斷面圍巖最大水平位移0.90mm,發(fā)生在東干側(cè)墻中部,且處于交岔口三角區(qū)側(cè)的圍巖變形位移明顯大于隧洞另一側(cè)。圖6為交岔口開挖襯砌完成后,西干線0+005斷面(Z=-5)的水平位移。由圖得,西干線0+005斷面圍巖水平位移呈非對(duì)稱分布,靠近三角區(qū)側(cè)豎墻的水平位移最大0.68m。東、西干隧洞豎墻的水平位移均存在靠三角區(qū)側(cè)比遠(yuǎn)離三角區(qū)側(cè)大的現(xiàn)象,對(duì)比東干與西干的位移情況,東干隧洞豎墻水平位移明顯大于西干。表明交岔口三角區(qū)處圍巖受到各方向位移并不是對(duì)稱分布,東、西干隧洞三角區(qū)側(cè)豎墻的位移值大于另一側(cè);隧洞斷面越大,其三角區(qū)側(cè)更易成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。對(duì)斷面突變隧洞的交岔口施工,三角交叉區(qū)側(cè)的巖體易破碎、易變形,受力極大,是監(jiān)測(cè)、支護(hù)重點(diǎn)區(qū),其中大斷面隧洞更應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),尤其靠三角交叉區(qū)側(cè)。

        圖5 東干線0+003.73斷面水平位移

        圖6 西干線0+005斷面水平位移

        3.3 交岔口襯砌力學(xué)特性分析

        圖7、圖8分別為總干200+210.14~西干0.000+008、東干線0+000~0+007襯砌第一、三主應(yīng)力云圖。由圖7得,襯砌最大壓應(yīng)力為3.79MPa,發(fā)生在襯砌側(cè)墻腳部,最大拉應(yīng)力為22.03MPa,發(fā)生在總干與東干襯砌交界面頂部。該部位局部混凝土可能出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象,建議增加該部位混凝土受力筋,并在實(shí)際施工過程中盡量修圓襯砌避免倒角。由圖8得,襯砌最大壓應(yīng)力為38.45MPa,發(fā)生在總干與西干、總干與東干襯砌交接面上,最大拉應(yīng)力1.88MPa,發(fā)生在襯砌底板中部。對(duì)于交岔口隧洞頂板的斷裂,是由巖層彎曲變形時(shí)微觀轉(zhuǎn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)引起,在施工過程中應(yīng)采取控制彎曲變形措施,尤其是大斷面隧洞與主洞連接處的襯砌施工。

        圖7 襯砌第一主應(yīng)力云圖

        圖8 襯砌第三主應(yīng)力云圖

        4 結(jié)論

        隧洞開挖卸載破壞了巖體的初始應(yīng)力場(chǎng),將引起回彈應(yīng)力和二次地應(yīng)力場(chǎng)重分布,圍巖局部發(fā)生應(yīng)力集中;對(duì)于斷面非對(duì)稱突變的交岔口,其圍巖受力也不對(duì)稱;隧洞斷面尺寸越大,更易發(fā)生斷裂破壞,應(yīng)提高支護(hù)參數(shù)與強(qiáng)度;交岔口三角區(qū)側(cè)圍巖受力大于隧洞另一側(cè),可采用非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,控制交岔口三角區(qū)側(cè)豎墻的圍巖位移;交岔口斷面突變處的襯砌連接處是薄弱部位,局部混凝土?xí)霈F(xiàn)拉裂現(xiàn)象,在施工過程中盡量修圓襯砌避免倒角。

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