采用短台阶开挖法的水工隧道稳定性数值模拟分析

胡辉东

摘要：根据某引水隧道，采用数值方法模拟台阶开挖法的施工过程。结论表明：采用短台阶开挖法沉降和变形量小，稳定性高;开挖后要紧跟支护结构，利用支护结构承受很大部分的围岩压力，为二衬的施作和发挥作用提供时机。

关键词：ADINA;数值模拟;稳定性

近来，水利水电建设的不断发展，引水隧洞作为一种重要的地下工程建筑物，隧洞开挖支护措施合理性直接关系到隧洞施工的安全。研究引水隧洞在开挖支护过程中以及支护完成后的稳定性[1-7]，对了解支护效果和改进支护措施有一定的意义。隧洞开挖引起的围岩卸荷[8]对围岩的劣化作用不容忽视。引水隧洞开挖后应力重新分布，变形量大，在施工过程中经常出现围岩失稳、塌方造成人员伤亡和设备损失，不仅延误工期、增加造价，还造成生命财产的损失。因此，合理的衬砌支护方案就显得尤为重要。随着技术条件的完善，周泽林等[9]、贾剑青等[10]运用FLAC3D隧洞围岩和支护结构的稳定性。

本文拟采用数值模拟的方法，建立有限元分析模型，模拟短台阶开挖法对某引水隧道开挖，揭示开挖过程中围岩的受力，位移情况以及支护结构的受力特点，为实际施工提供一定参考。

一、数值分析模型

（一）模型概况

结合某引水隧道相关资料建立该引水隧道模型。为了模拟现场施工情况，本文采用ADINA建立三维隧道模型。

模型上表面距离地面为50m，模型的边界尺寸取约为隧道高度的5倍。这里取长为115.0m，高为120.0m。隧道为城门洞型断面，由上半部分半圆弧加上下半部分正方形组成，圆弧半径为3.6米，正方形边长为7.2米，径向洞身长度为16m。模型左右的边界约束水平方向，底边为全约束。计算中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，衬砌和锚杆均采用弹性模型。整个模型节点数为22469，单元数为29746。

洞身长度为16m，取4m为一个开挖进尺。本文采用短台阶的方法，分两步开挖。其施工过程为：第1步是先开挖城门洞上部圆弧形部分的岩体，并对顶部施加锚杆支护和混凝土衬砌;第2步开挖下部矩形部分岩体，施加两侧和底部衬砌。完成第一个循环进尺后，进行第二个开挖进尺，第二个开挖进尺按上述的步骤进行。

（二）计算参数

根据现场力学实验结果，模拟隧道开挖和支护过程时，采用的土体密度为2680kg·m-3，弹性模量为12.5GPa，泊松比为0.25，内摩擦角为42°，粘聚力为1.6MPa。

对于支护结构。衬砌采用混凝土材料，设计厚度为60cm，混凝土强度等级为C25。混凝土材料密度为2400kg·m-3，弹性模量为28GPa，泊松比为0.167;锚筋密度为7800kg·m-3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。

二、结果分析

（一）围岩应力分析

伴随着开挖工序进行，拉应力产生，围岩受到的扰动增大，竖向应力的影响范围逐渐扩大;当拱顶开挖后，竖向应力全部为压应力，隧道顶部和底部的压应力较大，出现的竖向最大压应力在顶部，最大压应力值为5.9Mpa。支护结构和衬砌结构施做后，隧道最大应力为3.6MPa。

（二）围岩位移分析

每一级台阶开挖，位移都随之而变化而逐渐扩大，支护结构施做后，围岩位移影响范围会相应减小，当最后一个开挖进尺完成后，底部位移的最大值为0.75mm。围岩各部分位移都不大，证明隧道锚筋支护和混凝土衬砌较为合理。

（三）支护结构分析

锚杆承受的最大拉应力为15.4MPa，最小拉应力为2.2Mpa。衬砌顶部最大位移0.58mm，底部最大位移为0.75mm。混凝土衬砌顶部向下变形，而底部则向上变形，说明衬砌有效的抵抗了较大的围岩变形，衬砌作用明显。

综上所述，在隧道施工过程中，及时施做锚杆、衬砌，能够抑制开挖后的应力扩散。

三、结论

根据以上的分析，可以得出以下结论：

1）隧洞的开挖破坏了围岩的原始应力场，可能会影响隧洞施工安全，因此开挖后应及时进行支护，防止发生失稳。为减少开挖对围岩的扰动，开挖后应跟紧支护。

2）锚杆支护结构能够承受很大一部分的围岩压力，为衬砌的施作和发挥作用提供了时机。

3）支護措施承受部分围岩压力，围岩应力得到改善，隧洞围岩变形减小，衬砌对围岩变形起明显的限制作用，保证隧洞的施工安全。今后应加强对引水隧洞开挖支护应力变形进行数值模拟，提前分析围岩应力变形情况，采取相应工程措施，避免在施工过程中围岩失稳、塌方造成人员伤亡和设备损失，因此隧洞开挖支护应力变形数值模拟在工程建设中具有重要的应用价值。

参考文献

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