深埋高压引水隧洞Ⅳ类围岩洞段围岩稳定性分析与支护建议

齐 凯

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

某水电站设计库容2.1亿m3，装机总容量86MW，具有高水头、长引水的特点，施工复杂、难度大。该水电站属于二等大(2)型水利枢纽工程，主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、溢洪道和地下发电厂房和引水系统。引水系统中的引水隧洞为长距离有压引水隧洞，总长度为5530.22m，共包括3段平洞段和两段竖井段，其中上平洞段、中平洞段、下平洞段的长度分别为2043.21、1989.32、1198.82m。引水隧洞布置在电站大坝左岸，岩层岩性主要为安山岩或安山质凝灰岩，围岩类别以Ⅲ类为主。在上平洞段桩号Y0+110～Y0+263，长153m的洞段为Ⅳ类岩体，处于强风化或全风化过渡带内。该段隧洞为圆形平底断面设计，初步支护方案为10cm挂网喷、锚杆和40cm钢筋混凝土衬砌。钢筋网直径为6.5mm，间距为200mm×200mm，采用Φ22mm锚杆，长度设计为2.0m，入岩1.9m，间距1.0m，梅花形布置。隧洞衬砌混凝土强度为C25，挂网喷混凝土为C20。本文拟在上述初步设计的基础上，通过数值模拟的方式对围岩支护进行优化和方案论证，以便为隧洞开挖的最终设计提供有益借鉴。

2 计算模型与计算方案

2.1 计算模型

本研究利用Flac3D软件进行Ⅳ类围岩洞段三维有限元计算模型构建。模型的计算范围为沿轴线方向取3.0m；根据相关研究成果，围岩的计算范围一般为洞径的9倍，本研究取整为40m。在构建的模型中，利用六面体8节点等参单元模拟隧洞的围岩岩体，利用Mohr-Coulumb模型对围岩的弹塑性变形特征进行模拟。围岩开挖后支护结构中的喷层混凝土利用shell单元模拟；锚杆则利用弹性本构模型进行模拟。构建的三维有限元整体模型包括81096个计算单元，87563个计算节点，其中包括3658个喷层混凝土单元和768个锚杆单元[1- 6]。整体模型如图1所示。

模型以引水隧洞指向下游的方向为Y轴正方向，以与Y轴垂直指向右侧的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向，以隧洞中心点为坐标原点。模型的底部和四周施加法向位移约束，顶部设计为自由边界。为了研究埋深的影响，研究中将顶部岩体的重力荷载以均布方式施加于模型的顶部[7]。

2.2 计算方案

针对Ⅳ类围岩洞段的实际情况，根据隧洞的实际埋深与相关工程经验，按照有无喷锚支护设计6种方案[8- 9]，详见表1。

图1 整体计算模型示意图

表1 计算方案设计表

3 计算结果与分析

3.1 围岩开挖位移分析

利用上节构建的模型，对不同方案下的围岩开挖位移进行模拟计算，计算结果如图2所示。

图2 隧洞开挖后位移云图

在方案F11条件下，隧洞的开挖施工会引发围岩的应力扰动，造成隧洞的围岩岩体产生指向隧洞内部的位移。在引水隧洞开挖完毕之后，位移呈现出左右对称的特征，同时上下两侧位移量明显偏大，最大合位移值为4.74mm，位于引水隧洞围岩的顶部。

在方案F12条件下，隧洞的开挖施工会引发围岩的应力扰动，造成隧洞的围岩岩体产生指向隧洞内部的位移。在荷载释放之后，支护结构与围岩共同承担剩余荷载。位移呈现出左右对称的特征，同时上下两侧位移量明显偏大，最大合位移值为3.61mm，位于引水隧洞围岩的顶部。

在方案F21条件下，开挖会造成围岩的应力扰动，进而产生指向引水隧洞内部的位移，呈现出左右对称的特征，同时左右两侧位移量明显偏大，最大合位移值为18.64mm，位于引水隧洞围岩左右两侧。

在方案F22条件下，开挖会造成围岩的应力扰动，进而产生指向引水隧洞内部的位移，呈现出左右对称分布的特征，最大合位移值为11.58mm，位于引水隧洞围岩底部两个角处。

在方案F31条件下，开挖会造成围岩的应力扰动，进而产生指向引水隧洞内部的位移，呈现出左右对称的特征，同时左右两侧位移量明显偏大，最大合位移值为40.65mm，位于引水隧洞围岩左右两侧。

在方案F32条件下，开挖会造成围岩的应力扰动，进而产生指向引水隧洞内部的位移，呈现出左右对称分布的特征，最大合位移值为26.76mm，位于引水隧洞围岩底部两个角处。

综合上述，对于Ⅳ类围岩洞段，当埋深为100、200、300m且无支护开挖时，围岩位移变形的最大值分别为4.74、18.64、40.65mm，围岩位移值较大，稳定性不足。在开挖荷载释放率为85%条件下支护完成后，相应埋深的隧洞围岩位移最大值分别为3.61、11.58、26.76mm，相比无支护条件明显减小，说明支护措施可以有效增加围岩的稳定性[10]。

3.2 围岩开挖塑性区分析

利用上节构建的模型，对不同方案下的围岩开挖后的塑性区进行模拟计算，计算结果如图3所示。由图3可知，对于引水隧洞Ⅳ类围岩洞段，当埋深为100、200、300m且无支护开挖时，围岩塑性区最大深度分别为2.61、4.76、5.92m，塑性区面积分别为57.91、123.03、206.70m2，随着埋深增加，塑性区的深度和面积显著增大。在开挖荷载释放率为85%条件下支护完成后，相应埋深的隧洞围岩塑性区深度分别为1.74、2.56、3.57m，塑性区面积分别为24.48、45.36、65.15m2，相比无支护条件塑性区深度变浅，面积也有比较明显的减小，说明采取的开挖支护措施对增加围岩稳定性极为有利。

3.3 支护结构应力分析

利用构建的模型，对F12、F22和F32等多种方案下的支护结构应力进行计算，计算结果见表2。由表2可知，在围岩开挖荷载释放率为85%的条件下，如果隧洞的埋深为200m，支护完成之后喷层受到的最大压应力为12.76MPa，这一数值已经大于相应的混凝土抗压强度设计值；当隧洞埋深为300m时，支护完成之后的喷层最大拉应力值达到1.24MPa，这一数值已经大于相应的混凝土抗拉强度设计值。在埋深达到300m时，锚杆的最大拉应力达到锚杆抗拉强度设计值，可能诱发较大范围内的锚杆受力屈服。

表2 支护结构应力计算结果 单位：MPa

4 结论与建议

根据模拟计算结果，与无支护条件相比，对围岩进行有效支护可以明显减小围岩位移变形、塑性区的深度和面积，说明支护措施可以有效增加围岩的稳定性。在输水隧洞埋深在200m以上时，引水隧洞围岩的塑性区深度明显偏大，有必要设计喷锚支护措施。此外，随着隧洞埋深增大，支护结构的喷层和锚杆受到的应力也不断增加，当隧洞埋深达到200m时，喷层的最大压应力明显偏大，大于施工设计中围岩支护结构喷层混凝土的抗压强度设计值；当隧洞埋深为300m时，喷层的最大拉应力值大于喷层混凝土的抗拉强度设计值，锚杆的最大拉应力达到锚杆抗拉强度设计值，建议采用挂网喷射混凝土或钢纤维混凝土。由于围岩变形与塑性区深度较大，建议在支护结构设计时增加锚杆的强度和支护强度，将锚杆的长度增加至4～6m，采用直径为25mm的锚杆[11- 15]。

图3 隧洞开挖后塑性区分布云图