基于破坏接近度的朝阳调水工程施工支洞围岩稳定性数值模拟研究

蒋天元

(辽宁西北供水有限责任公司， 辽宁 朝阳 122000)

1 工程背景

朝阳调水工程是辽西阎王鼻子水库的配套工程之一，是以阎王鼻子水库为供水水源向朝阳市供水的重要工程。工程项目主要由沉沙池、提水泵站、供水管道以及净水厂等水工建筑物构成，设计供水规模为每年5500万m3，建成后可以有效满足凌钢新区、燕山湖电厂以及其他用户的需求。供水水源阎王鼻子水库是以朝阳市工业和生活供水、城市防洪为主，兼具发电等综合效益的大型水利枢纽工程，坝址位于大凌河中游，距离朝阳市25km，总库容2.17亿m3，于1999年建成蓄水[1]。该工程的引水隧洞为压力引水隧洞，全长12km，开挖断面为圆拱斜墙，4条施工支洞总长4.5km，均为13%左右的倒坡，衬砌后成洞断面为圆形。输水隧洞的部分洞段地质环境较差，需要穿越较大的断层4条，存在极软岩、软岩以及瓦斯洞段等不良地质洞段，施工难度较大。

在地下洞室工程施工中，开挖施工会造成围岩的应力重新分布进而在部分区域形成损伤区[2]。损伤区的范围和损伤程度是围岩稳定性评价、施工设计以及支护参数设计和优化的重要依据[3]。根据岩土力学领域的弹塑性理论，开挖损伤区即为围岩的塑性区，因此大部分数值模型研究中的塑性区仅有一个范围，而没有损伤程度、可能发生或已经发生破坏的区域以及周围弹性区向塑性区转变的相关信息[4]。因此，本次研究以朝阳调水工程引水隧洞3#施工支洞软岩洞段为例，基于破坏接近度函数对围岩的稳定性进行定量分析，以解决传统围岩稳定性研究中的塑性区表达缺陷，为相关工程设计和建设提供理论支持。

2 基于破坏接近度的围岩稳定性分区

2.1 破坏接近度的含义

以围岩的主应力分量为变量，屈服函数可以视为应力空间内所有屈服点对应应力点构成的屈服曲面，屈服曲面上的应力点处于临界状态，屈服曲面以内和以外的点分别处于塑性和弹性状态[5]。根据屈服函数的概念，周辉提出了屈服接近度的概念[6]。在塑性力学范畴内，塑性剪应变是描述岩土体从塑性状态向破坏状态转化过程中的损伤程度的重要概念[7]。因此，参照屈服接近度的概念，本文研究提出破坏接近度的概念。首先，破坏度是岩土体的塑性剪应变与极限塑性剪应变的比值，其表达式为：

(1)

由上述定义可知，当破坏度大于等于或小于1时，岩土体处于破坏、临界破坏和未破坏状态。结合屈服函数和屈服接近度的定义，令ω=1-FAI，则破坏接近度FAI的数学表达式为：

(2)

显然，在岩土体发生屈服之前，可以使用屈服接近度参数(ω)对岩土体单元应力状态的危险性进行定义，当岩土体单元为塑性状态后，则使用破坏度的参数(1+FD)对其塑性损伤程度进行表达。因此，当0≤FAI≤1、1≤FAI≤2、FAI>2时，岩土体单元分别处于弹性状态、塑性未破坏状态和破坏状态。

2.2 围岩稳定性分区

在地下洞室工程开挖施工过程中，围岩会面临应力释放和应力场的重部，进而产生局部的应力集中[8]。如果上述局部集中的应力值超出围岩强度，围岩即会发生破坏直至重新形成应力平衡。在上述过程中，围岩状态会随着深度的不同划分为不同的松动圈和状态分布区域。本次研究结合陈建功、左建平等学者的研究成果和破坏接近度的定义[9- 10]，将围岩划分为低应力区、开挖扰动区、开挖损伤区一级破坏区，其判别标准见表1。

表1 基于破坏接近度的围岩区域划分标准

3 数值计算模型

3.1 模型的建立

朝阳调水工程引水隧洞3#施工支洞软岩洞段为直径3.5m的圆形隧洞，在充分考虑模型边界效应影响基础上，选择模型的尺寸为15m×10m×15m，然后利用FLAC3D进行隧洞模型的建立。对构建的模型利用四面体网格单元划分，并对关键部位进行加密，最终生成219273个网格单元，38974个节点，网格划分示意图如图1所示。

图1 计算模型网格划分示意图

3.2 边界条件与计算方案

根据实地测量的地应力数据设置模型的边界条件，对模型的后面、下面和左面分别固定，对前面、上面和右面分别施加4.5、1.1和6.0MPa且指向隧洞的力，用于模拟隧洞受到的地应力[11]。在利用模型进行数值模拟过程中，根据现场施工方案设计为全断面开挖不支护的施工方式[12]，计算过程中设计10步开挖，每步的开挖进尺为1.0m，模型开挖的示意图如图2所示。为了对开挖过程中研究洞段围岩的应力位移和破坏区的发展演变情况进行直观了解，在研究洞段的各个部位设置了40个监测点，监测剖面为y=0.5剖面，其具体布置如图3所示。

图2 开挖方案示意图

图3 监测点布置示意图

4 计算结果与分析

4.1 位移场分析特征

利用上节构建的模型，对研究洞段开挖施工过程中的围岩位移进行模拟计算，根据计算结果绘制出如图4—7所示的隧洞开挖完毕后各个监测点的竖向和水平位移曲线。

图4 研究洞段顶部竖向位移曲线

图5 研究洞段底部竖向位移曲线

图6 研究洞段右侧水平位移曲线

图7 研究洞段左侧水平位移曲线

由图4—7可知，在研究洞段开挖完毕之后，研究洞段顶部除了首尾2个监测点之外，其余8个监测点均表现为沉降位移，而底部全部表现为隆起位移，且隧洞中部的竖向位移变形量最大，说明该部位的围岩状况最差；从水平位移来看，研究洞段左右两侧的水平位移均指向隧洞，且随着开挖防线不断减小。但是，隧洞中部左侧监测点的水平位移存在突然增大的情况，原因是该部位的岩石破碎比较严重。

4.2 破坏区分布特征

研究中以上节提出的破坏接近度函数为基础，综合利用zextra命令和FISH语言编程，获得研究洞段在不同开挖步数下的围岩破坏接近度分布云图。按照表1中的基于破坏接近度的围岩区域划分标准，标出不同区域的轮廓线及相应的FAI值，结果如图8—13所示。

图8 第1步开挖典型剖面破坏接近度云图

图9 第2步开挖典型剖面破坏接近度云图

图10 第3步开挖典型剖面破坏接近度云图

图11 第4步开挖典型剖面破坏接近度云图

图12 第7步开挖典型剖面破坏接近度云图

图13 第10步开挖典型剖面破坏接近度云图

由图8—13可知，在研究洞段进行第1步开挖之后，受到开挖导致的空间效应作用，在典型断面的顶部出现了小范围的开挖扰动和损伤区，FAI的最大值为1.25，说明围岩力学强度性质并没有出现明显的弱化，仅发生开挖损伤并没有破坏；在第2步和第3步开挖过程中，施工开挖的掌子面逐渐远离典型断面，因此空间效应作用明显减弱的同时围岩的应力也获得了充分的释放，因此，顶部的开挖扰动进而损伤区范围较第1步开挖之后明显扩大，同时，在隧洞的顶部出现了FAI值大于2.0的区域，说明围岩已经出现破坏；在第4步至开挖完毕，施工开挖的掌子面距离典型断面越来越远，因此开挖扰动对典型断面的影响不断减小，因此围岩的破坏情况逐渐趋于稳定。在第10步开挖完毕之后，模拟显示的破坏区与现场的调查结果基本吻合。

5 结语

本次研究针对传统数值模型研究中塑性区表达方面的不足，提出了破坏接近度的概念。以朝阳调水工程引水隧洞3#施工支洞软岩洞段为例，利用FLAC3D软件进行有限元计算模型的构建，对研究洞段的围岩稳定性进行数值模拟研究，并验证了破坏接近度在围岩稳定性研究方面的理论和实践价值。由于极限塑性剪应变是破坏接近度研究中的关键参数，本次研究中的上述参数值主要来自于其他学者的研究成果，而如何确定不同岩土体的极限塑性剪应变的方法需要进行进一步的研究，以便为破坏接近度的计算提供必要的支持。