徐向東

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,新疆 石河子 832000）

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)越來越多的數(shù)值模擬方法應(yīng)用于地下洞室施工與支護(hù)穩(wěn)定性分析[1-2]。FLAC3D 采用三維快速拉格朗日法分析計(jì)算,其允許材料發(fā)生塑性變形和流變,適合解決巖土工程中遇到的高地應(yīng)力下隧洞開挖引起的大變形問題,是較為理想的圍巖工程計(jì)算軟件。本文就奎屯引水工程平洞的施工進(jìn)行全過程計(jì)算模擬,重點(diǎn)研究圍巖開挖位移、應(yīng)力等分布規(guī)律和支護(hù)效果。

1 工程概況及研究區(qū)計(jì)算模型

1.1 工程概況

新疆奎屯河引水工程,位于新疆天山北坡中部,準(zhǔn)噶爾盆地西南緣,奎屯市、烏蘇市和克拉瑪依市獨(dú)山子區(qū)境內(nèi),奎屯河流域上游?？秃右こ棠┒死淆埧谔幈本嗫褪兄本€距離10 km,從奎屯市至工程區(qū)有G217 國道相連,交通便利?？秃右こ虒俅螅?）型Ⅰ等工程。主要由將軍廟水利樞紐、山區(qū)引水系統(tǒng)、出山口引水系統(tǒng)（核準(zhǔn)已建）、團(tuán)結(jié)干渠改造及沿線建筑物等構(gòu)成。

1.2 計(jì)算模型

選取平洞段樁號(hào)0+800.00 斷面,見圖1。該斷面隧洞埋深231.3 m,地層巖性為下層西域礫巖,計(jì)算參數(shù)按工程地質(zhì)勘察結(jié)果選取,見表1。隧洞開挖洞徑6.5 m,模型上部范圍H1、下部范圍H2 和側(cè)向范圍H3 分別取46 m,39 m 和46 m,見圖2。模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧洞的中心位置,其整體坐標(biāo)系的Y 軸與隧洞軸線方向一致,指向下游為正,鉛垂向?yàn)閆 軸,向上為正,X 軸以右手法則確定。模型沿洞軸線Y 方向取0.6 m。計(jì)算模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為44590 個(gè),總單元數(shù)為37734 個(gè),左右兩側(cè)、底部以及上下游兩端面均施加法向約束,模型頂部自由,并在頂部施加均布應(yīng)力模擬上覆巖體,鉛直向初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場,應(yīng)力量值取決于上覆巖體深度及容重,水平向應(yīng)力根據(jù)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算。在隧洞頂拱處、兩腰及底部各取一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

圖1 平洞計(jì)算模型

圖2 小三維計(jì)算模型

1.3 初始地應(yīng)力場分布

本斷面隧洞鉛垂向埋深231.3 m,側(cè)壓力系數(shù)為0.54,初始應(yīng)力分布見圖3～圖5。模型計(jì)算范圍內(nèi)X 向初始地應(yīng)力為-3.31 MPa～-2.31 MPa,Y 向初始地應(yīng)力為-3.31 MPa～-2.31 MPa,Z 向初始地應(yīng)力為-6.15 MPa～-4.28 MPa。

圖3 X 方向(垂直水流向)初始地應(yīng)力圖

圖4 Y 方向（水流向）初始地應(yīng)力圖

圖5 Z 方向（鉛直向）初始地應(yīng)力圖

2 圍巖位移及支護(hù)方案

2.1 圍巖開挖位移與塑性區(qū)

采用應(yīng)力釋放法模擬巖體開挖,不施加支護(hù)措施時(shí),開挖完成后,圍巖X 向位移最大值9.3 cm,位于隧洞兩腰處；隧洞頂部Z 向位移最大值11.7 cm；合位移最大值約為11.2 cm,位移分布基本呈左右對稱,見圖6。

圖6 隧洞開挖完成后圍巖合位移/m

隧洞開挖后,局部圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),塑性區(qū)分布基本呈左右對稱,最大塑性區(qū)深度發(fā)生在隧洞腰部約4.0 m,模型核心區(qū)域的塑性區(qū)分布情況見圖7。

圖7 隧洞開挖完成后圍巖塑性區(qū)

2.2 支護(hù)方案

開挖洞徑6.5 m,隧洞內(nèi)徑5.5 m,初期支護(hù)考慮鋼拱架、噴層、錨桿和一次襯砌,按照不同的支護(hù)施作時(shí)機(jī),設(shè)計(jì)了表2 所示的五個(gè)計(jì)算方案。計(jì)算模型中型鋼拱架采用16 型熱軋工字鋼,全斷面架設(shè),鋼拱架間距為0.5 m；輔以Φ6 鋼筋掛網(wǎng)及5 cm 厚噴護(hù)層；在180°范圍內(nèi)布設(shè)Φ25 自進(jìn)式錨桿,兼做固結(jié)灌漿孔,孔深4 m；鋼筋混凝土襯砌厚45 cm,雙層布置HRB335 環(huán)向鋼筋6Φ25,鋼筋間距200 mm。

表2 支護(hù)計(jì)算方案

2.2.1 方案PD800SG01

（1）開挖支護(hù)后圍巖位移及塑性區(qū)

該方案在開挖后圍巖應(yīng)力釋放70%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),即初期支護(hù)落后于掌子面0.9 m 施加；應(yīng)力釋放90%時(shí)施加45 cm 厚的C30 混凝土襯砌,即襯砌落后于掌子面4.0 m 施作。

開挖支護(hù)完成后,X 向位移最大值1.3 cm,Z 向位移最大值5.2 cm,合位移最大值約為5.2 cm,位移分布基本呈左右對稱,見圖8。隧洞開挖支護(hù)后,局部圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),塑性區(qū)最大深度發(fā)生在腰部約為1.33 m,見圖9,明顯小于無支護(hù)方案。

圖8 隧洞開挖完成后圍巖合位移

圖9 隧洞開挖完成后圍巖塑性區(qū)

（2）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在圍巖應(yīng)力釋放70%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),即初期支護(hù)落后于掌子面0.9 m 施加,應(yīng)力釋放90%時(shí)進(jìn)行C25 混凝土一次襯砌支護(hù),即襯砌落后于掌子面4 m 施加,支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況見圖10～圖11。

圖10 一次襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力

圖11 一次襯砌鋼筋應(yīng)力

鋼拱架承受圍巖壓力,整體處于受壓狀態(tài),在腰部軸向應(yīng)力最大值約為247 MPa；錨桿所受最大拉應(yīng)力為165 MPa,小于錨桿的承載力設(shè)計(jì)值為300 MPa；噴層混凝土所受最大環(huán)向應(yīng)力約為14.2 MPa,位于腰部；一次襯砌整體受壓,所受環(huán)向應(yīng)力最大值約為4.2 MPa,位于襯砌腰部,襯砌腰部內(nèi)層鋼筋應(yīng)力最大值為23.0 MPa,襯砌工作性能良好。

2.2.2 方案PD800SG02

（1）開挖支護(hù)后圍巖位移及塑性區(qū)

該方案在開挖后圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),即初期支護(hù)落后于掌子面2 m 施作；應(yīng)力釋放90%時(shí)施加C30 混凝土襯砌,即襯砌落后于掌子面4 m 施作。

開挖支護(hù)完成后,X 向位移最大值2.1 cm,Z 向位移最大值6.0 cm,合位移最大值約為6.0 cm,位移分布基本呈左右對稱,見圖12。隧洞開挖支護(hù)后,局部圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),塑性區(qū)最大深度發(fā)生在腰部約為1.33 m,見圖13,明顯小于無支護(hù)方案。

圖12 隧洞開挖完成后圍巖合位移

圖13 隧洞開挖完成后圍巖塑性區(qū)

（2）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),應(yīng)力釋放90%時(shí)進(jìn)行一次襯砌支護(hù),支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況見圖14～圖15。鋼拱架承受圍巖壓力,整體處于受壓狀態(tài),在腰部軸向應(yīng)力最大值約為134 MPa；錨桿所受最大拉應(yīng)力為91 MPa,小于錨桿的承載力設(shè)計(jì)值為300 MPa；混凝土噴層整體受壓,腰部所受環(huán)向應(yīng)力最大值7.8 MPa；襯砌整體受壓,混凝土環(huán)向應(yīng)力最大值位于腰部為4.3 MPa,襯砌腰部內(nèi)層鋼筋應(yīng)力最大值為23.4 MPa,襯砌工作性能良好。

圖14 一次襯砌混凝土環(huán)向應(yīng)力

圖15 一次襯砌鋼筋應(yīng)力

2.2.3 方案PD800SG03

（1）開挖支護(hù)后圍巖位移及塑性區(qū)

該方案在開挖后圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)施加混凝土噴層及鋼筋掛網(wǎng),即初期支護(hù)落后于掌子面0.9 m 施作；應(yīng)力釋放100%時(shí)施加C30 混凝土襯砌,即襯砌不承擔(dān)圍巖荷載。

開挖支護(hù)完成后,X 向位移最大值2.2 cm,Z 向位移最大值6.2 cm,合位移最大值約為6.2 cm,位移分布基本呈左右對稱,見圖16。隧洞開挖支護(hù)后,局部圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),塑性區(qū)最大深度發(fā)生在腰部約為1.33 m,見圖17,明顯小于無支護(hù)方案。

圖16 隧洞開挖完成后圍巖合位移

圖17 隧洞開挖完成后圍巖塑性區(qū)

（2）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),襯砌不承擔(dān)圍巖荷載,支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況見圖18～圖19。鋼拱架承受圍巖壓力,整體處于受壓狀態(tài),在腰部軸向應(yīng)力最大值約為254 MPa；錨桿所受最大拉應(yīng)力為144 MPa,小于錨桿的承載力設(shè)計(jì)值為300 MPa；混凝土噴層整體受壓,腰部所受環(huán)向應(yīng)力最大值14.5 MPa。

圖18 噴層混凝土環(huán)向應(yīng)力

圖19 錨桿應(yīng)力

3 結(jié)論

受初始地應(yīng)力水平和特征限制（此處為自重應(yīng)力場）,平洞段的圍巖變形以豎向變形為主,水平橫向變形為輔,因此需要重點(diǎn)關(guān)注頂部（腰部偏上區(qū)域）的圍巖穩(wěn)定情況。

（1）隧洞無支護(hù)開挖完成后,發(fā)生指向隧洞內(nèi)部的位移,位移分布基本呈左右對稱,合位移最大值約為11.2 cm,出現(xiàn)在隧洞頂拱兩側(cè),最大塑性區(qū)深度約為4.0 m,圍巖穩(wěn)定性較差,需要適時(shí)支護(hù),控制圍巖變形。

（2）由圍巖應(yīng)力逐級釋放下的位移演化情況確定支護(hù)時(shí)機(jī),在圍巖應(yīng)力釋放55%～60%時(shí)監(jiān)測斷面出露（即掌子面位置的開挖荷載釋放系數(shù)為0.55～0.6）,且圍巖變形尚在可控范圍內(nèi),可考慮初期支護(hù)的施加。

（3）方案PD800SG02 在開挖后圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),即初期支護(hù)落后于掌子面2 m 施作；應(yīng)力釋放90%時(shí)施加45 cm 厚鋼筋混凝土襯砌,即襯砌落后于掌子面4 m 施作。支護(hù)完成后圍巖最大變形為6.0 cm,最大塑性區(qū)深度1.33 m,圍巖變形在可控制范圍內(nèi),且鋼拱架、錨桿及一次襯砌工作性能良好。

（4）方案PD800SG03 在開挖后圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù),即初期支護(hù)落后于掌子面2 m 施作；鋼筋混凝土襯砌不承擔(dān)圍巖荷載。支護(hù)完成后圍巖最大變形為6.2 cm,最大塑性區(qū)深度1.33 m,圍巖變形在可控制范圍內(nèi),鋼拱架、錨桿和噴層的應(yīng)力較方案PD800SG02 明顯增大。