巴基斯坦卡拉奇核电站排水隧洞变形模拟分析

邢鹏飞，孙余好，吴亚华，周 煌

（核工业井巷建设集团有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

近年来，我国的核电能源开发已取得了空前的发展，相继兴建了一大批世界一流的核电站，其工程条件复杂、建设规模巨大、建设速度之快为世界所瞩目。由于地下输水隧洞易于布置、节省建筑材料、施工干扰少、环境破坏少等优点而被核电站广泛采用［1］。特别是在一些地址条件十分复杂的地区，地下输水隧洞是唯一经济且可行的选择。地下隧洞的施工将不可避免地对地下围岩的原岩应力造成破坏，围岩应力重新分布进而导致围岩出现塑性破坏及过大的变形［2，3］。当围岩变形较大时将影响地下工程的正常运行，严重的甚至会引起隧洞的坍塌，造成重大的生命财产损失，因此有必要对隧洞围岩进行支护，增强其强度，控制其变形。地下工程的规模、施工方法、支护结构、支护时机等同样会影响围岩的稳定性［4-7］。

目前，国内对于普通隧洞已经有了深入的研究，并且得出一些可以参考的工程经验［8-11］。然而对于复杂的软岩排水隧洞工程，国内的研究相对较少，因此需要对软岩排水隧洞变形进行研究，把不同埋深下软岩隧洞的变形作为研究重点。本文运用 FLAC3D 模拟隧洞的变形，分析隧洞的变形规律，给出相应的施工建议措施，为同类工程提供参考。

1 工程概况

巴基斯坦卡拉奇 k2/k3 核电厂项目位于巴基斯坦国卡拉奇市西部，阿拉伯海北岸，是我国继恰希玛核电工程的第二个对外援建核电项目，也是巴基斯坦国内目前最大的核电项目，属于中国与巴方“一带一路”合作项目。工程具体位置如图 1 所示。

图1 地理位置示意图

排水隧洞采用一机一洞平排布置的方式，排水隧洞采用净高为 6.36 m 的马蹄形断面。排水隧洞埋深约在 54.2～148.3 m 之间。依据 SL377－2007《水利水电工程锚喷支护技术规范》，应用新奥法原理，采用复合式衬砌，初期支护由系统锚杆、钢筋网、250 mm 厚喷射混凝土、I18 工字钢组成，超前小导管作为永久支护，模筑防水钢筋混凝土作为二次衬砌，厚 900 mm。超前小导管采用外径 42 mm、壁厚 3.5 mm 热轧无缝钢管，钢管前端呈尖锥状，尾部焊上直径 6 mm 加劲箍，管壁四周钻直径 8 mm 压浆孔，但尾部有 1 m 压浆孔。超前小导管施工时，钢管与衬砌中线平行以 14e仰角打入拱部围岩。钢管环向间距 40 cm。每打完一排钢管注浆后，开挖拱部及第一次喷射混凝土、架设钢架，初期支护完成后，隔一定距离再打另一排超前小导管，但应保持 1.0 m 以上的搭接长度。超前小导管及复合式衬砌如图 2 所示。

图2 超前小导管布置图（单位：mm）

2 基于 FLAC3D 的数值模拟计算与研究

2.1 模型建立及参数选取

运用三维有限差分软件 FLAC3D 进行本工程排水隧洞的变形模拟分析，为了简化计算，本次模型计算域，竖直向上取至拱顶以上 50 m；竖直向下取至拱底以下 50 m。土体采用 Mohr-Coulomb 本构模型，衬砌采用弹性本构模型，模型位移边界条件，模型的下边界固定Z方向约束，左右边界固定X方向的约束，前后边界固定Y方向的约束，钢拱架采用梁单元（beam）进行模拟，超前小导管及锚杆均采用锚索单元（cable）进行模拟［12-15］。

本次计算中采用的围岩力学参数主要通过地质勘察资料所得，各支护结构力学参数主要依据 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》，结合 GB 50487－2008《水利水电工程地质勘察规范》进行适当修正，围岩力学参数选取如表 1 所示，支护结构力学参数选取如表 2 所示。

表1 围岩力学参数表

表2 支护结构力学参数表

计算中分别选取隧洞在不同埋深条件下（50，70，90，110，130，150 m）进行分析［16-18］；计算模型如图 3、图 4 所示。

图3 模型图

图4 超前支护措施模型图

2.2 不同埋深下的隧洞变形分析

2.2.1 不同埋深下隧道初期支护研究

通过数值模拟研究，获得不同埋深下衬砌的应力云图，如图 5 所示。

图5 不同埋深断面初期支护压应力图

通过数值模拟研究结果得出不同埋深条件下的初期支护压应力情况，如图 6、图 7 所示。

从图 7 中可以看出，埋深约 114.7 m 时初支最大压应力值为 12.5 MPa，接近与“C20+ 钢支撑”材料设计强度（轴心抗压）。从图 6 可以看到：随隧洞埋深增大，初支压应力值逐渐增大，并且应力的变化率逐渐减小，初支压应力最大值位于两侧拱腰处。

图6 不同埋深隧洞初期支护压应力图

图7 初支应力达到极限应力时的局部图

2.2.2 不同埋深下隧道围岩位移研究

通过开挖、地应力平衡、应力释放、施做支护结构等步骤。得到不同埋深断面开挖后围岩竖向位移如图 8 所示。

图8 不同埋深断面开挖后围岩竖向位移图

从图 8 中可以看出，隧洞围岩的竖向位移值远远大于水平位移值。隧洞出现拱底隆起与拱顶沉降现象，且隧洞最大竖向位移发生在拱顶位置处。根据模拟计算得到不同埋深隧洞拱顶沉降的绝对量值，如图 9 所示。

从图 9 中可以看出，隧洞开挖后隧洞四周原岩应力发生破坏，应力重新分布，围岩出现大规模变形，随着埋深的不断增大，围岩竖向位移值也在逐步增大。埋深在 50～150 m 范围内隧洞围岩的最大竖向位移值在 54.5～56 mm 范围之内。综合上述分析，通过计算分析，隧洞开挖后，初支受力达到其材料参数允许值，隧洞最大变形值大致稳定，因此建议其安全控制基准值设定为 55 mm。

图9 不同埋深断面围岩竖向位移值

2.3 分析总结

通过数值模拟得出隧洞在埋深约 114.7 m 时初支最大压应力值为 12.5 MPa，达到“C20+ 钢支撑”材料设计强度。随隧洞埋深的增大，初支压应力值逐渐增大，初支压应力最大值位于两侧拱腰处。因此在超过 114.7 m 时，要加大支护强度，确保隧洞安全与质量。

针对最不利情况，通过初支受力以及围岩位移分析，可以看出，在原设计条件下的围岩位移与初支受力均略超过安全范围，需要进行适当的加强，以保证一定的安全储备。

3 结语

通过运用 FLAC3D 软件，对隧道变形的模拟分析，得出随隧洞埋深增大，初支压应力值逐渐增大，并且应力的变化率逐渐减小，在埋深约 114.7 m 时初支最大压应力值达到设计强度。初支压应力最大值位于两侧拱腰处。

通过计算分析，隧洞开挖后，初支受力达到其材料参数允许值，隧洞最大变形值大致稳定，因此建议其安全控制基准值设定为 55 mm。

可以看出，在原设计条件下的围岩位移与初支受力均略超过安全范围，需要进行适当的加强，以保证工程的质量与安全。Q