电站引水隧洞围岩衬砌应力分析

梁艳秋

(黑龙江省水电局，哈尔滨150040)

0 前 言

引水隧洞支护计算需要考虑围岩和支护结构共同作用，所选用的材料一般都是非线性的二维与三维问题。

一般有限元软件处理大变形问题时，计算量非常大，效率低且对计算机配置要求高，分析结果不收敛。有限元差分法是基于三维显式有限差分法的三维快速拉格朗日数值分析法，来计算场的控制微分方程，对塑性流动、大变形问题、屈服问题等有独特优点，模拟岩土这种特殊材料的力学问题，可以得到理想的结果。

1 工程模拟

该水电站位于牡丹江市东宁县绥芬河干流上，引水隧洞位于河右岸低山丘陵地带，其轴线走向为93°，长约3 630 m，平面按直线布置，断面为圆形，纵坡i=0.0065。地形起伏较大，相对高差约240m，地面坡度约30°～60°。山体主要由燕山期花岗岩、侏罗系凝灰岩组成。

数值模拟计算的结果的可信度及与工程实际的符合程度很大一部分取决于数值模型是否对工程进行正确的抽象描述。本模型数值分析分为运营期、检修期和施工期3 种条件下工况，将整个材料视为均质的岩体。根据隧道的工程概况和相关材料建立的基本数值模型，模型隧洞为圆形，开挖半径为4.1m，水平向跨度为50m，沿开挖向长度为1 个单位长度，拱顶覆土为26m，下边界距隧道底部为26m。模型的上部为自由边界，底部进行竖向约束，另外四个侧面为法向约束边界。

围岩采用三维实体单元，衬砌采用shell 单元，计算中围岩视为均一材料，衬砌视为弹性体。取浅埋隧道形式，计算时对于结构应力不进行考虑，仅考虑岩体自重应力与水压力影响。根据现场地质资料，围岩的参数为V 级围岩［1］。

3 种工况均采用Mohr—Coulomb 模型进行计算，所涉及的岩土体物理力学参数具体如表1。

表1 引水隧道计算力学参数

2 对隧洞进行FLAC 分析

对于隧洞不同时期进行了3 种工况的模拟，考虑结果的可比性，3 种工况计算流程完全相同，通过计算，对结果进行分析对比，掌握隧洞各个时期受力和位移特点，见表2。

表2 引水隧洞计算的3 种工况

隧道开挖完成后，围岩向开挖形成的临空面方向产生变形，总体上表现为拱顶附近的下沉和仰拱部位的上抬，拱腰部位产生大致水平向收敛位移，为了清晰对比各个时期不同条件下隧洞的位移应力情况，3 种工况模型采用相同开挖步骤和相同支护形式。由于篇幅所限，仅附M1 工况下云图，M2 与M3省略，见图1 所示。

表3 3 种工况荷载下排水围岩位移应力结果

竖向位移最大工况为施工工况，其次为检修工况，最小的为运营工况，运营期间隧洞内内水压力对外部的围岩竖向压力有1 个支撑作用。水平收敛位移的基本分布规律大体相同，最大值都处于拱腰位置。洞内水力压强对水平位移影响要弱于施工期注浆压强影响，但注浆压强是暂时的，在完成凝结和对围岩挤密作用后会对整个体系起到加固作用，而内水压强是持久性的。

3 种工况条件下围岩的应力分布基本一致，不同工况条件对围岩应力的影响要小于对位移的影响，应力重分布区域集中于隧洞周围，对于该工程背景下的隧洞来说应力重分布区域集中在隧洞周围4m范围内。可以看出，施工工况条件下隧洞应以重分布影响范围要大于运营工况和检修工况条件。3 种工况的竖向应力重分布后隧洞周围应力处于0.2 ～0.4 MPa是与分层应力差别较大应力范围，从图1 来看洞周应力值和范围越小，分层越不明显，应力重分布范围和程度越大。拱底位置比其他同水平地层有所降低这是由于拱底的隆起趋势造成。隧洞周围施工工况条件下水平应力(X 向)、最大主应力(Smax)、最小主应力(Smin)低于同水平层底层应力一个分层，进一步说明该工况应力重分布范围和程度大于其他两种工况。

支护设施是隧道开挖后对围岩的支撑结构和加固措施，是不能达到自稳的岩体在开挖后，围岩系统达到稳定的根本原因，所以支护结构的受力状况是评价围岩稳定性的重要指标。

图1 M1 工况下围岩分析

表4 3 种工况隧道衬砌内力变形结果

由图2 可知，3 种工况条件下衬砌弯矩在整体上分布一致，单位长度上最大负弯矩都位于拱腰位置，最大正弯矩都位于拱顶部位，只是在内力值上有一定差别。施工工况单位长度上最大负弯矩处于拱腰位置，为－70.8 kN·m，最大正弯矩位于拱顶位置，为51.0 kN·m。运营工况单位长度上最大负弯矩处于拱腰位置，为－95.8 kN·m，最大正弯矩位于拱顶位置，为49.4 kN·m。检修工况条件下单位长度上最大负弯矩处于拱腰位置，为－98.7 kN·m，最大正弯矩位于拱顶位置，为50.2 kN·m;施工工况单位长度上最大轴力位于拱腰位置，为－645 kN，最小轴力位于拱顶位置，为587 kN。运营工况单位长度上最大轴力位于拱腰位置，为79.6 kN，最小轴力位于拱顶位置，为23.1 kN。检修工况条件下单位长度上最大轴力位于拱腰位置，为270 kN，最小轴力位于拱顶位置，为212 kN。3 种工况第1 主应力分布趋势整体相似，最大值一样处于拱腰位置，最小值位于拱顶部位，但3 种工况在应力值上有所差别。施工工况第1应力最大值为10.1 MPa，最小轴力位于拱顶位置，为7.7 MPa。运营工况单位长度上最大轴力位于拱腰位置，为2.3 MPa，最小轴力位于拱顶位置，为0.07 MPa。检修工况条件下单位长度上最大轴力位于拱腰位置，为5.1 MPa，最小轴力位于拱顶位置，为2.5 MPa。

图2 M1 工况衬砌分析

轴力最大的工况为施工工况，但对应的弯矩却处于最小值，这是由于法向施加于衬砌外表面的灌浆压强会使衬砌轴向的内力增加，但是会减少弯矩值，由于是法向施加于衬砌，虽然看上去轴力增加了，但是改善了衬砌内力分布，使衬砌内力分布更均匀，减少出现应力集中的情况，这通过工况弯矩及第1 主应力比检修条件下要小并分布均匀，是由于施加了环法向内部水压力作用［2］。

3 结 论

1)通过对比分析施工工况、运营工况和检修工况3 种条件下引水隧洞围岩的竖向以及水平向位移变化、围岩应力状况得出，施工条件下围岩的竖向位移和水平收敛值都是3 种工况中最大的，属于最不利荷载组合;灌浆压力和隧洞内水压力对围岩水平收敛的影响要大于对竖直方向位移影响，注浆压力的施加使围岩应力的最大值增大，但使围岩位移分布更均匀。

2)通过对比分析施工工况、运营工况和检修工况3 种条件下引水隧洞衬砌的竖向以及水平向位移变化、内力状况得出，施工条件下衬砌的竖向位移和水平收敛值都是3 种工况中最大的，属于最不利荷载组合;灌浆压力和隧洞内水压力对围岩水平收敛的影响要＞对竖直方向位移影响，注浆压力的施加使衬砌轴力增加，但减小了弯矩，使衬砌内力更均匀。

综上，施工工况为最不利工况，应作为设计时荷载组合工况，并且该模型支护参数满足施工要求，并未出现大变形情况，与传统计算方法得到的结论相符。

［1］李浩，朱向阳，徐永福，等.断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析［J］.隧洞建设，2009(01):43－49.

［2］孙谋，刘维宁.隧洞涌水对围岩特性影响分析［J］.2008(02):21－25.