水工隧洞围岩应力场数值模拟与分析

2022-05-05王学洲

水利技术监督 2022年5期

王学洲，刘涛

(1.安丘市水利建筑安装公司，山东安丘 262100；2.济南市水政监察支队，山东济南 250014)

长期以来水工隧洞围岩的应力场问题一直是水工领域学者研究的重点。谭忠盛等[1]依托实际工程对隧洞围岩在水压力下的应力场分布规律进行了分析研究；陈力华等[2]提出了一种新的适用于计算隧洞围岩安全系数的强度折减方法，并对该方法在隧洞围岩稳定性计算中的应用做出了假设；郑颖人等[3]基于有限元的强度折减法对隧洞围岩稳定性进行了分析，并通过实例进行探究验证；杨峰等[4]对超载作用下的隧洞围岩稳定性以及应力场分布规律进行了有限元模拟分析，并得到了较高精度的运动破坏模块；韩凯航等[5]结合前人的工作，提出了三种有关隧洞围岩的变形模式以及两种机制，并通过工程实际验证了其准确性与工程适用性；凌同华等[6]通过使用FLAC3D软件对隧洞开挖过程进行建模分析，优化了块体支护的参数；王芝银等[7]通过建立应力场与渗流场的双重耦合有限元模型，对隧洞围岩岩体在耦合作用下的稳定性进行了模拟分析；康勇等[8]、李立平等[9]采用RFPA2D软件对隧洞围岩在开挖时由于应力重分布而产生的损伤破坏模式进行了模拟分析，并提出了损伤模型。

文章通过使用ADINA软件建立二维数值模拟，分析了隧洞围岩的应力场变化规律，并针对不同地下水位与不同厚度的注浆圈对隧洞围岩应力场变化规律的影响进行了研究。

1 工程概况

文章选取某引水工程隧洞对水工隧洞的围岩应力场进行了数值模拟分析。该工程地形复杂，岩性也较为复杂，隧洞总长超过6km，断面为圆形，半径为5m，地表水系较发育，水量较大且随季节变化，岩体较破碎，具有贯通性节理。

2 计算模型建立

隧洞围岩在开挖之前，本身就存在一个由于长时间地质运动而形成的平衡的初始应力场，其分布及数值与围岩本身的岩性有关。而由于开挖之时的卸载作用，隧洞围岩应力会重新分布并形成二次应力场。隧洞围岩在开挖之后，隧洞得到支护后，岩体应力会因为围岩变形被约束而发生改变并达到最终的平衡从而形成三次应力场。文章将对这三种应力场进行了分析。

文章采用ADINA软件对工程进行模拟分析，为排除边界效应，考虑计算范围为隧洞开挖洞径的四倍，以隧洞中心为坐标原点，模型尺寸为边长85m的正方形。计算参数见表1。

表1 数值分析参数表

3 应力场分析

3.1 隧洞开挖前后及注浆后应力场分析

3.1.1水平和垂直的应力

隧洞开挖之时，围岩边界条件随着围岩开挖的卸载作用而改变并发生应力重分布，而在开挖、支护完成后，围岩的力学性质也随之改变，隧洞开挖前后及注浆后各阶段的应力分布如图1—6所示。从图中可以看出，其水平和垂直应力分布情况为层状分布，且向下递增。隧洞围岩的水平方向和垂直方向的应力由于围岩开挖时的卸载作用都减小了，还形成了低应力区，水平方向的应力减小最多的位置在边墙处，开挖后的应力降到了开挖前的16%，约为0.8MPa；而垂直方向的应力减小最多的位置在隧洞围岩顶部，开挖后的应力降到了开挖前的14%，约为1.3MPa；且可以看出隧洞开挖仅对隧洞洞径两倍范围内的围岩有较大影响，且影响随着与隧洞的距离增加而减小；随着注浆支护的完成，隧洞围岩两个方向的应力皆有所回升，可以看出隧洞开挖后，及时支护可以帮助增强围岩的稳定性；且在注浆支护与围岩的接触部位以及隧洞左右两侧的围岩处发现了应力集中，是危险部位，支护时需谨慎处理。

图1 开挖前水平应力(单位：Pa)

图2 开挖前垂直应力(单位：Pa)

图3 开挖后水平应力(单位：Pa)

图4 开挖后垂直应力(单位：Pa)

图5 注浆后水平应力(单位：Pa)

图6 注浆后垂直应力(单位：Pa)

3.1.2水平位移和垂直位移

隧洞开挖后和注浆支护完成后的应力分布如图7—10所示。从图中可以发现，隧洞开挖时，在隧洞左侧观测到约21mm的最大水平位移，且方向指向隧洞内部，在隧洞围岩的左侧拱脚处观测到约9mm的最大沉降，在隧洞左侧墙角观测到约10mm的最大隆起；注浆支护完成后隧洞围岩位移明显减小，在隧洞的左下方观测到约0.3mm的最大水平位移，在隧洞围岩的拱顶处观测到约2mm的最大沉降，在隧洞拱底处观测到约1mm的最大隆起。可以发现注浆支护可以有效减小隧洞围岩的变形量。

图8 注浆后水平位移(单位：m)

图9 开挖后垂直位移(单位：m)

3.2 不同地下水位下应力场分析

为观测不同地下水位引起的孔隙水压力变化对隧洞围岩应力场的影响，文章设置了地下水位100m和150m进行对比。

图10 注浆后垂直位移(单位：m)

3.2.1水平应力和垂直应力

不同地下水位下的应力分布如图11—14所示。可以发现，隧洞围岩的应力随着地下水位的增大而增大，但地下水位的增加仅仅改变了应力的数值，并没有改变其分布规律。

图11 地下水位为100m时水平应力(单位：Pa)

3.2.2水平位移和垂直位移

不同水位下位移分布如图15—18所示。可以看出，随着地下水位的增大，隧洞围岩的位移增大，但也仅仅改变了水平位移和垂直位移的数值，并没有改变其分布规律，水平位移最大值皆出现在隧洞左右两侧的围岩处，但地下水位150m时的最大位移为地下水位100m时的1.92倍，达到了46.7mm；垂直位移最大值皆出现在了隧洞左侧的围岩拱脚处，但地下水位150m时的最大位移为地下水位100m时的1.85倍，达到了24mm。

图12 地下水位为150m时水平应力(单位：Pa)

图13 地下水位为100m垂直应力(单位：Pa)

图14 地下水位为150m时垂直应力(单位：Pa)

图15 地下水位100m水平位移(单位：m)

图16 地下水位150m水平位移(单位：m)

图17 地下水位100m垂直位移(单位：m)

图18 地下水位150m垂直位移(单位：m)

3.3 不同注浆圈厚度应力场分析

从表1中可以发现，注浆圈与隧洞围岩的物理性质相差较大，在围岩内进行注浆支护也许会对围岩的应力场产生影响，为观测不同注浆圈厚度对隧洞围岩应力场的影响，文章设置了注浆圈2m和5m进行对比。

3.3.1水平应力和垂直应力

注浆圈厚度分别为2m和5m时的水平应力和垂直应力分布如图19—22所示。可以看出，随着注浆圈厚度的增加，围岩应力的回升愈发明显，水平方向和垂直方向的最大应力均随着注浆圈厚度的增加而降低，但无论注浆圈厚度是2m还是5m，在水平应力分布图和垂直应力分布图中皆观测到了应力集中现象，注浆圈厚度为2m时，水平应力集中现象出现在围岩拱底位置；注浆圈厚度为5m时，水平应力集中位置出现在注浆支护与围岩岩体的接触部位；而垂直应力集中现象皆是出现在隧洞围岩的左右两侧。当注浆圈厚度为2m时，垂直方向最大应力在隧洞右侧边墙处被观测到，当注浆圈厚度达到5m时，垂直方向最大应力在隧洞左侧边墙处被观测到，且注浆圈厚度为5m时的最大垂直应力是注浆圈厚度为2m时的最大垂直应力的73%，仅有4.3MPa。

图19 注浆圈厚度2m时围岩水平应力(单位：Pa)

图20 注浆圈厚度5m时围岩水平应力(单位：Pa)

图21 注浆圈厚度2m时围岩垂直应力(单位：Pa)

3.3.2水平位移和垂直位移

注浆圈厚度分别为2m和5m时的水平位移和垂直位移分布如图23—26所示。可以看出，随着注浆圈厚度的增加，水平方向和垂直方向的最大位移均随着注浆圈厚度的增加而降低，2m和5m注浆圈厚度时，水平位移最大值均出现在隧洞拱底围岩右下侧的注浆支护与围岩接触处，但5m注浆圈厚度时的最大水平位移是2m注浆圈厚度时最大水平位移的56%，仅有3.3mm。2m和5m注浆圈厚度时的最大沉降位置均出现在拱底，但5m注浆圈厚度时的最大垂直位移是2m注浆圈厚度时最大水平位移的58%，仅有2.1mm。2m和5m注浆圈厚度时的最大隆起位置均出现在拱底，但5m注浆圈厚度时的最大垂直位移是2m注浆圈厚度时最大水平位移的68%，仅有1.9mm。