摘要：本文重点介绍了顶部溶洞对水工压力隧洞围岩变形规律的影响，建立了岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的有限元模型，并介绍了分析步骤，列举了隧洞围岩、支护结构物理、力学参数，数值模拟了拱顶竖向位移比变化曲线、拱底竖向位移比变化曲线及侧壁水平位移比变化曲线，并分析了计算结果。
关键词：顶部溶洞；水工压力隧洞；围岩变形；数值模拟
随着我国科学技术的发展以及地下工程建设经验的逐渐积累，对于地下洞室围岩稳定性的研究方面已经取得了一定的成果，而对于水工隧洞的研究便在地下洞室研究的范畴之内，因此水工隧道在研究方面的成果也是较为显著的。目前，我国主要是依据铁路和公路隧道建设的经验作为参考来对岩溶区的水工隧洞进行建设，但是由于铁路和公路建设跟水工隧道的建设本来就存在差异，而且水工隧洞还需要受到内水压力、断面尺寸二者的影响，因此传统的建设经验已很难适应现代水工隧洞工程技术的要求。本论文在研究有压水工隧洞设计的基础上，进一步完善相关理论知识，不仅为后来的学者奠定了理论研究基础，而且进一步推动了我国水利工程建设在技术上的飞跃。
1岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的有限元模型
在对岩溶压力隧洞进行研究时发现，这类溶洞在开挖前就已经存在，而且由于空间分布不规则以及溶洞形状等原因，用传统的弹塑性力学方法去进行研究其变形已经是行不通的了，所以要想得到更加精准的研究结果就应该运用数值计算方法来分析。本文研究便是采用数值计算方法中的有限元方法。
本论文建模为几何模型，取值为以某水电站导流洞的实际尺寸值，在进行压力隧洞的二维弹塑性数值模拟时采用的是ANSYS10.0有限元软件，围岩采用的是Drucker-Prager模型，按Mohr-Coulomb强度准则进行屈服判断。
整个分析过程如下：
（1）结构的离散化。由于任何结构都是由单元体组成的，而离散化这一过程实际上就是将要分析的结构分割成一个个有限个独立的单元体，并在每个单元体的指定位置上设置节点，这样相邻单元的参数在一定的程度上就会产生连续性，并构成一个集合体来代替原来分割的的结构。一般在进行结构离散化时，都是根据计算计算机的容量和精度的要求来决定划分的单元数目和大小。
（2）选择位移插值函数。在对连续体问题进行分析时，一般都会单元中位移的分布进行相关的假设，即假定某种简单的函数与位移是相关的，在此基础上用节点位移表示单元体的位移、应力等。有限单元法分析中最为关键的是选择的位移函数要适当。一般采用多项式作为位移函数较为普遍。
（3）分析单元的力学特性。简单来说就是利用本构方程、变分原理以及几何方程从而得到单位刚度矩阵。
（4）将所有单元的平衡方程集合起来构造整体平衡方程。首先应该将各个单元刚度矩阵整合成整体刚度矩阵，然后通过各单元的等效节点力列阵集合成整体上的载荷列阵。
（5）在建立平衡方程组的基础上，通过求解得到未知节点位移和单元应力。
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2隧洞围岩、支护结构物理、力学参数
在考虑研究成果普适性的基础上，以围岩的类别划分为基础的实际情况来进行隧洞设计中围岩参数的选取，同时也参照水利以及水电勘察规范的相关资料，各类围岩物理、力学参数见表1。
隧洞以全断面的方式来进行开挖，施工过程中以锚杆和喷射混凝土联合支护的方式来进行初次支护。由以往的研究情况可以看出，不困围岩条件是否相同，溶洞对隧洞影响的规律基本上是一样的，只是在影响范围和影响程度不同而已。因此，在本论文本章研究中，根据隧洞围岩不同类别针对不同尺度、不同位置溶洞产生的影响进行分析，此次研究隧洞围岩类别限定为Ⅲ类，围岩岩体材料采用 Drucker-Prager模型。此时围岩的物理、力学参数和支护结构参数根据表1和表2所示，取值如下：喷射混凝土强度等级取为C20，其容重22KN/m3，轴向抗压强度l0MPa，弹性模量为21Gpa，锚杆采用全长锚固式砂浆锚杆，砂浆的强度等级为M20。
3溶洞的数值模拟方案
在本次研究中，研究目的主要是根据不同位置、不同尺度溶洞对隧洞围岩位移、应力的影响，在分析系统时通过采用无量化尺度，既是设定圆形隧洞的洞径或城门洞型隧洞的跨度（D），而溶洞洞径（d）则根据研究的需要选取尺度为隧洞洞径的n倍（0.2≤n≤2.0），隧道与溶洞间距离L取值方法如上。
为了研究的方便，洞径比定义为溶洞洞径d与圆形隧洞洞径或城门洞隧洞D之比，用符号Tr表示，即Tr=d/D；间径比定义为隧洞间距离L与隧洞跨度或隧洞洞径D之比，用符号Kr表示，即Kr=L/D。
分析中按顶部溶洞、侧边溶洞和底部溶洞设计分析方案。每组方案中以表3所列洞径比和间径比进行数值模拟。
4顶部溶洞对圆形水工隧洞围岩变形规律影响分析
顶部溶洞在未受内水压力时，对圆形隧洞顶拱主要为竖直方向的位移，对隧洞侧壁主要为水平方向的位移。在顶部溶洞影响下，拱顶沉降变形在自重应力场中将减小，并在洞径比Tr的发生变化时，拱顶沉降也会相应的做出同方向变化。当Tr不大于0.5时，拱顶沉降变形减少量与无溶洞时拱顶沉降量相比相差10％。当Kr小于0.5，Tr增加到2.0时，拱顶沉降减少量将大于无溶洞时拱顶沉降量的40%以上。
5结论
通过本文的分析可以得出以下两个结论：
（1）城门洞形和圆形隧洞拱顶下沉变形在顶部溶洞的影响下相比有所减小。但是随着溶洞的洞径增大，拱顶下沉变形量的减小量会增加；随着隧洞和溶洞之间的距离增加，拱顶下沉变形量的减小量也会相应的增加。
（2）在受到顶部溶洞影响，隧洞侧壁在水平方向的变形将增大。但是随着溶洞洞径的增大，隧洞侧壁水平方向变形量的增加量会增大；随着溶洞与隧洞之间距离的增加，隧洞侧壁水平方向变形量的增加量会相应的减少。
参考文献：
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论文作者:马季芳,马玉峰,李治国
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2017/12/28
标签：隧洞论文; 围岩论文; 溶洞论文; 位移论文; 水工论文; 拱顶论文; 单元论文; 《基层建设》2017年第28期论文;