深部引水隧洞交岔口稳定性仿真计算分析

茹 荣，邓浩浩

(浙江工业大学 建筑工程学院 杭州市 310014)

0 引言

在高山峡谷地区修建大型水利水电的工程中出现大洞径、埋深大的引水隧洞。引水隧洞中交岔口处围岩的受力情况和破坏特征尤为重要。李龙福等[1]对软岩交叉巷道开挖围岩稳定性进行了数值模拟研究；郭宝华等[2-3]通过数值模拟分析了围岩强度、交岔点埋深及开挖步距等因素对交岔点围岩稳定性的影响，比较了不同交岔形式的围岩变形值、支承压力集中系数以及塑性区范围，并通过正交试验对不同围岩强度巷道交岔点的支护参数进行极差、方差分析，提出了适合交岔点布置的侧压系数范围；众多学者对开挖卸荷载引起的回弹应力和二次地应力场分布，及其稳定性开展了大量研究[4-7]。已有研究表明，深部隧洞交岔口的受力情况和应力分布及破坏过程极其复杂，现有理论还不能完全解释实际工程中所出现的破坏现象[8-12]。

依托山西中部引黄工程，利用ABAQUS有限元分析软件建立数值模型，对总干2#隧洞和东、西干处断面突变的交岔口进行开挖模拟，分析了断面突变对交岔口三角区应力场与位移场的演化规律的影响。

本引黄工程总干2#隧洞净宽3.6m，直墙高度3.2m，拱顶圆弧半径1.8m；东干隧洞净宽3m，直墙高2.8m，拱顶圆弧半径1.62m，弧度为135°；西干隧洞净宽2.5m，直墙高2.2m，拱顶圆弧半径1.35m，弧度为135°。西干线轴线与总干线轴线位于同一直线上，西干线沿水流方向在距分水口中心点(西干0+000.0)5m处隧洞截面净宽由3.6m逐渐减小至2.5m。东干线与总干线交叉处以圆弧连接，圆弧半径为3m。东干线与西干线以半径为0.5m的圆弧连接。西干线轴线与总干线轴线位于同一条直线上，东干线与西干线轴线夹角为52°23′34″。

1 破坏机理理论分析

在隧洞开挖前，未受扰动的岩体大多处于弹性变形状态。隧洞开挖后，开挖面上支撑压力消失，表层围岩处于零围压状态，将出现径向应力松弛和切向应力集中现象，局部围岩区域将因切向应力集中而形成一个应力集中区，这将成为隧洞的危险区域，易出现围岩破裂现象。应力水平显著超过围岩强度时，隧洞一定范围内围岩处于屈服状态，即形成屈服区。若围岩应力大于最大承载强度，则隧洞将会破坏。破坏通用条件可用公式表示为：

σmax≥[σy]

(1)

式中：σmax为围岩破坏准则定义的应力最大值；σy为相应围岩破坏准则的围岩强度。

众多强度理论中，莫尔-库伦强度理论是岩石力学中应用最广泛的强度理论之一，以岩石所处应力状态为参量，研究其与岩石破坏的关系，当其所处应力状态越接近极限应力状态时，其发生破坏的可能性越高。计算采用Mohr-Coulomb屈服准则，数学表达式如下：

τ=c+σ·tanφ

(2)

式中：τ为岩土体抗剪强度；c为岩体的粘聚力；σ为破坏面上的正应力；φ为岩体的内摩擦角。

2 计算模型

2.1 模型建立及参数确定

隧洞计算范围：沿总干纵轴线方向为Z轴，以总干、东干纵轴线交点为原点，总干引水隧洞与西干引水隧洞共取13m；总干横截面方向为X轴，X轴负向取7m，X轴正向取10m；竖直方向为Y轴，向上取30m，向下取20m，共50m。计算模型尺寸：-7m≤X≤10m，-20m≤Y≤30m，-5m≤Z≤8m。图1、图2分别为交岔口隧洞模型和计算模型，表1是计算力学参数。

图1 交岔口隧洞模型

图2 计算模型

围岩类别密度(kg/m3)弹性模量E(GPa)泊松比μ粘聚力C(MPa)内摩擦角φ(°)围岩(Ⅲ类)2500100.281.040衬砌2400300.30//

2.2 网格划分与边界条件

模型Y=-20m底面固定，Y=30m顶面自由面，为满足深部岩体的地应力条件，在Y=30m表面施加2.75MPa的竖向应力；X=-7m、X=+10m侧面，限制其X方向位移；Z=-20m、Z=+30m侧面限制其Z方向位移。整体网格划分共30652节点、1089个六面体和17383个四面体单元，其中衬砌网格划分见图3。计算过程中采用表1所示的支护参数进行计算。地应力场以自重应力为主。围岩按照弹塑性材料考虑，本构模型选用摩尔-库伦模型；衬砌混凝土采用实体单元弹性模型。

图3 衬砌网格

2.3 数值模拟过程

拟对引水隧洞交岔口不同应力释放系数的各种工况进行仿真计算，总干和东、西干隧洞共分为7步开挖，先由总干开挖8m，总干开挖模拟完成后再模拟东干开挖，最后模拟西干隧洞开挖。每一步开挖的模拟过程如下：

(1)通过正演计算提取应力作为内力然后再施加重力荷载进行平衡，从而实现初始应力场的施加同时保证初始位移为零；

(2)采用“MODEL CHANGE，REMOVE”和“MODEL CHANGE，ADD”两个关键词，模拟总干隧洞土体单元的移除与衬砌单元添加，并对此单元赋予新的材料参数；

(3)重复2步骤，进行东、西干隧洞的开挖模拟。

3 计算结果分析

3.1 交岔口三角区围岩应力分析

图4为交岔口三角区应力等值线变化示意图。水流由总干2#流向东、西干，在交岔口处隧洞断面尺寸出现明显减小，其中总干2#过渡到东干，断面宽度由3.6m逐渐减小至3m，总干2#过渡到西干，断面宽度由3.6m逐渐减小至2.5m。由图4得，东干隧洞三角区附近围岩应力变化梯度明显比西干隧洞大，隧洞围岩受到的拉力大于西干隧洞，主要因东、西干隧洞在交岔口处隧洞断面均出现不同程度减小，东干断面宽度大于西干隧洞。在施工阶段，需研究三角区域围岩受力特性及塑性区范围大小，加强交岔口连接处及三角区外侧的支护参数。对于断面尺寸突变的交岔口三角区可采用非对称支护结构体系，关键是控制大断面隧洞三角区侧的围岩位移与稳定性。

图4 交岔口三角区应力等值线变化示意图

3.2 交岔口围岩力学特性分析

隧洞开挖改变了围岩的初始应力场，图5是交岔口开挖衬砌完成后，东干线0+003.73断面(X=-3)水平位移图。由图得，东干(X=-3)断面围岩最大水平位移0.90mm，发生在东干侧墙中部，且处于交岔口三角区侧的围岩变形位移明显大于隧洞另一侧。图6为交岔口开挖衬砌完成后，西干线0+005断面(Z=-5)的水平位移。由图得，西干线0+005断面围岩水平位移呈非对称分布，靠近三角区侧竖墙的水平位移最大0.68m。东、西干隧洞竖墙的水平位移均存在靠三角区侧比远离三角区侧大的现象，对比东干与西干的位移情况，东干隧洞竖墙水平位移明显大于西干。表明交岔口三角区处围岩受到各方向位移并不是对称分布，东、西干隧洞三角区侧竖墙的位移值大于另一侧；隧洞断面越大，其三角区侧更易成为结构的薄弱部位。对断面突变隧洞的交岔口施工，三角交叉区侧的岩体易破碎、易变形，受力极大，是监测、支护重点区，其中大断面隧洞更应加强支护，尤其靠三角交叉区侧。

图5 东干线0+003.73断面水平位移

图6 西干线0+005断面水平位移

3.3 交岔口衬砌力学特性分析

图7、图8分别为总干200+210.14～西干0.000+008、东干线0+000～0+007衬砌第一、三主应力云图。由图7得，衬砌最大压应力为3.79MPa，发生在衬砌侧墙脚部，最大拉应力为22.03MPa，发生在总干与东干衬砌交界面顶部。该部位局部混凝土可能出现拉裂现象，建议增加该部位混凝土受力筋，并在实际施工过程中尽量修圆衬砌避免倒角。由图8得，衬砌最大压应力为38.45MPa，发生在总干与西干、总干与东干衬砌交接面上，最大拉应力1.88MPa，发生在衬砌底板中部。对于交岔口隧洞顶板的断裂，是由岩层弯曲变形时微观转动的不协调引起，在施工过程中应采取控制弯曲变形措施，尤其是大断面隧洞与主洞连接处的衬砌施工。

图7 衬砌第一主应力云图

图8 衬砌第三主应力云图

4 结论

隧洞开挖卸载破坏了岩体的初始应力场，将引起回弹应力和二次地应力场重分布，围岩局部发生应力集中；对于断面非对称突变的交岔口，其围岩受力也不对称；隧洞断面尺寸越大，更易发生断裂破坏，应提高支护参数与强度；交岔口三角区侧围岩受力大于隧洞另一侧，可采用非对称支护结构体系，控制交岔口三角区侧竖墙的围岩位移；交岔口断面突变处的衬砌连接处是薄弱部位，局部混凝土会出现拉裂现象，在施工过程中尽量修圆衬砌避免倒角。