邢鵬飛，孫余好，吳亞華，周 煌

（核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的核電能源開(kāi)發(fā)已取得了空前的發(fā)展，相繼興建了一大批世界一流的核電站，其工程條件復(fù)雜、建設(shè)規(guī)模巨大、建設(shè)速度之快為世界所矚目。由于地下輸水隧洞易于布置、節(jié)省建筑材料、施工干擾少、環(huán)境破壞少等優(yōu)點(diǎn)而被核電站廣泛采用［1］。特別是在一些地址條件十分復(fù)雜的地區(qū)，地下輸水隧洞是唯一經(jīng)濟(jì)且可行的選擇。地下隧洞的施工將不可避免地對(duì)地下圍巖的原巖應(yīng)力造成破壞，圍巖應(yīng)力重新分布進(jìn)而導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)塑性破壞及過(guò)大的變形［2，3］。當(dāng)圍巖變形較大時(shí)將影響地下工程的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的甚至?xí)鹚矶吹奶?，造成重大的生命?cái)產(chǎn)損失，因此有必要對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行支護(hù)，增強(qiáng)其強(qiáng)度，控制其變形。地下工程的規(guī)模、施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)時(shí)機(jī)等同樣會(huì)影響圍巖的穩(wěn)定性［4-7］。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于普通隧洞已經(jīng)有了深入的研究，并且得出一些可以參考的工程經(jīng)驗(yàn)［8-11］。然而對(duì)于復(fù)雜的軟巖排水隧洞工程，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較少，因此需要對(duì)軟巖排水隧洞變形進(jìn)行研究，把不同埋深下軟巖隧洞的變形作為研究重點(diǎn)。本文運(yùn)用 FLAC3D 模擬隧洞的變形，分析隧洞的變形規(guī)律，給出相應(yīng)的施工建議措施，為同類工程提供參考。

1 工程概況

巴基斯坦卡拉奇 k2/k3 核電廠項(xiàng)目位于巴基斯坦國(guó)卡拉奇市西部，阿拉伯海北岸，是我國(guó)繼恰?，敽穗姽こ痰牡诙€(gè)對(duì)外援建核電項(xiàng)目，也是巴基斯坦國(guó)內(nèi)目前最大的核電項(xiàng)目，屬于中國(guó)與巴方“一帶一路”合作項(xiàng)目。工程具體位置如圖 1 所示。

圖1 地理位置示意圖

排水隧洞采用一機(jī)一洞平排布置的方式，排水隧洞采用凈高為 6.36 m 的馬蹄形斷面。排水隧洞埋深約在 54.2～148.3 m 之間。依據(jù) SL377－2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，應(yīng)用新奧法原理，采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)由系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、250 mm 厚噴射混凝土、I18 工字鋼組成，超前小導(dǎo)管作為永久支護(hù)，模筑防水鋼筋混凝土作為二次襯砌，厚 900 mm。超前小導(dǎo)管采用外徑 42 mm、壁厚 3.5 mm 熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管前端呈尖錐狀，尾部焊上直徑 6 mm 加勁箍，管壁四周鉆直徑 8 mm 壓漿孔，但尾部有 1 m 壓漿孔。超前小導(dǎo)管施工時(shí)，鋼管與襯砌中線平行以 14e仰角打入拱部圍巖。鋼管環(huán)向間距 40 cm。每打完一排鋼管注漿后，開(kāi)挖拱部及第一次噴射混凝土、架設(shè)鋼架，初期支護(hù)完成后，隔一定距離再打另一排超前小導(dǎo)管，但應(yīng)保持 1.0 m 以上的搭接長(zhǎng)度。超前小導(dǎo)管及復(fù)合式襯砌如圖 2 所示。

圖2 超前小導(dǎo)管布置圖（單位：mm）

2 基于 FLAC3D 的數(shù)值模擬計(jì)算與研究

2.1 模型建立及參數(shù)選取

運(yùn)用三維有限差分軟件 FLAC3D 進(jìn)行本工程排水隧洞的變形模擬分析，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本次模型計(jì)算域，豎直向上取至拱頂以上 50 m；豎直向下取至拱底以下 50 m。土體采用 Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，襯砌采用彈性本構(gòu)模型，模型位移邊界條件，模型的下邊界固定Z方向約束，左右邊界固定X方向的約束，前后邊界固定Y方向的約束，鋼拱架采用梁?jiǎn)卧╞eam）進(jìn)行模擬，超前小導(dǎo)管及錨桿均采用錨索單元（cable）進(jìn)行模擬［12-15］。

本次計(jì)算中采用的圍巖力學(xué)參數(shù)主要通過(guò)地質(zhì)勘察資料所得，各支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)主要依據(jù) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合 GB 50487－2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》進(jìn)行適當(dāng)修正，圍巖力學(xué)參數(shù)選取如表 1 所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)選取如表 2 所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

計(jì)算中分別選取隧洞在不同埋深條件下（50，70，90，110，130，150 m）進(jìn)行分析［16-18］；計(jì)算模型如圖 3、圖 4 所示。

圖3 模型圖

圖4 超前支護(hù)措施模型圖

2.2 不同埋深下的隧洞變形分析

2.2.1 不同埋深下隧道初期支護(hù)研究

通過(guò)數(shù)值模擬研究，獲得不同埋深下襯砌的應(yīng)力云圖，如圖 5 所示。

圖5 不同埋深斷面初期支護(hù)壓應(yīng)力圖

通過(guò)數(shù)值模擬研究結(jié)果得出不同埋深條件下的初期支護(hù)壓應(yīng)力情況，如圖 6、圖 7 所示。

從圖 7 中可以看出，埋深約 114.7 m 時(shí)初支最大壓應(yīng)力值為 12.5 MPa，接近與“C20+ 鋼支撐”材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度（軸心抗壓）。從圖 6 可以看到：隨隧洞埋深增大，初支壓應(yīng)力值逐漸增大，并且應(yīng)力的變化率逐漸減小，初支壓應(yīng)力最大值位于兩側(cè)拱腰處。

圖6 不同埋深隧洞初期支護(hù)壓應(yīng)力圖

圖7 初支應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)的局部圖

2.2.2 不同埋深下隧道圍巖位移研究

通過(guò)開(kāi)挖、地應(yīng)力平衡、應(yīng)力釋放、施做支護(hù)結(jié)構(gòu)等步驟。得到不同埋深斷面開(kāi)挖后圍巖豎向位移如圖 8 所示。

圖8 不同埋深斷面開(kāi)挖后圍巖豎向位移圖

從圖 8 中可以看出，隧洞圍巖的豎向位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平位移值。隧洞出現(xiàn)拱底隆起與拱頂沉降現(xiàn)象，且隧洞最大豎向位移發(fā)生在拱頂位置處。根據(jù)模擬計(jì)算得到不同埋深隧洞拱頂沉降的絕對(duì)量值，如圖 9 所示。

從圖 9 中可以看出，隧洞開(kāi)挖后隧洞四周原巖應(yīng)力發(fā)生破壞，應(yīng)力重新分布，圍巖出現(xiàn)大規(guī)模變形，隨著埋深的不斷增大，圍巖豎向位移值也在逐步增大。埋深在 50～150 m 范圍內(nèi)隧洞圍巖的最大豎向位移值在 54.5～56 mm 范圍之內(nèi)。綜合上述分析，通過(guò)計(jì)算分析，隧洞開(kāi)挖后，初支受力達(dá)到其材料參數(shù)允許值，隧洞最大變形值大致穩(wěn)定，因此建議其安全控制基準(zhǔn)值設(shè)定為 55 mm。

圖9 不同埋深斷面圍巖豎向位移值

2.3 分析總結(jié)

通過(guò)數(shù)值模擬得出隧洞在埋深約 114.7 m 時(shí)初支最大壓應(yīng)力值為 12.5 MPa，達(dá)到“C20+ 鋼支撐”材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度。隨隧洞埋深的增大，初支壓應(yīng)力值逐漸增大，初支壓應(yīng)力最大值位于兩側(cè)拱腰處。因此在超過(guò) 114.7 m 時(shí)，要加大支護(hù)強(qiáng)度，確保隧洞安全與質(zhì)量。

針對(duì)最不利情況，通過(guò)初支受力以及圍巖位移分析，可以看出，在原設(shè)計(jì)條件下的圍巖位移與初支受力均略超過(guò)安全范圍，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，以保證一定的安全儲(chǔ)備。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用 FLAC3D 軟件，對(duì)隧道變形的模擬分析，得出隨隧洞埋深增大，初支壓應(yīng)力值逐漸增大，并且應(yīng)力的變化率逐漸減小，在埋深約 114.7 m 時(shí)初支最大壓應(yīng)力值達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。初支壓應(yīng)力最大值位于兩側(cè)拱腰處。

通過(guò)計(jì)算分析，隧洞開(kāi)挖后，初支受力達(dá)到其材料參數(shù)允許值，隧洞最大變形值大致穩(wěn)定，因此建議其安全控制基準(zhǔn)值設(shè)定為 55 mm。

可以看出，在原設(shè)計(jì)條件下的圍巖位移與初支受力均略超過(guò)安全范圍，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，以保證工程的質(zhì)量與安全。Q