水庫蓄水對既有隧道影響的穩定性分析

杜鵬 周瑩 吳欣

隨著我國經濟的飛速發展，能源需求量也在快速增加，能源資源短缺的局面已相當嚴峻，可以說在很大程度上阻礙著經濟的發展。大型水庫的建成發電對緩解能源緊張的局面具有重要意義。其中一些水庫修建在鐵路穿越山區，水庫的修建對這些鐵路線路上的結構必將產生一定的影響，本文將以云南境內的沙沙坡水庫的修建對內昆線馬蹄石隧道的影響為例，通過數值方法，分析水庫對傍山鐵路隧道的影響。

1 項目背景

橫江中游沙沙坡水庫為一級梯級水庫，馬蹄石隧道位于內昆線DK248+460處，地理位置系云南省大關縣與鹽津縣交界處，該隧道地處中低山峽谷區，地形陡峭，出口斜交水昭公路下方進洞，出口于水昭公路左側岸坡上出洞，起訖里程DK246+972～DK249+948段，全長2 976 m。該隧道正好位于庫區范圍內，水庫蓄水后，最高水位線距離馬蹄石隧道出口段路面高的高差僅有6.59 m。隧道建設完成的沙沙坡水庫將使金沙江右岸一級支流橫江中游峽谷段水位抬高近12 m，在隧道的原始狀態下，考慮水庫蓄水對其造成的影響，從可能產生的兩個方面的問題進行分析。

1)工況一，根據現場調查及地質資料，隧道岸坡側5 m范圍內圍巖風化嚴重，水庫蓄水后這些已風化的圍巖將很快被軟化，計算時，將水庫蓄水后受水影響范圍內的圍巖級別由原來的Ⅴ級降低至Ⅵ級。2)工況二，隧道岸坡側有一松散堆積土層。當水庫蓄水后，堆積土層在水流的長時間沖刷作用下會不斷流失，有出現塌岸的可能，塌岸后隧道周邊圍巖的應力場將會重新分布。

2 蓄水后隧道穩定性分析

本次計算用MIDAS/GTS進行二維數值模擬分析。計算范圍內的巖體采用二維平面單元模擬;隧道襯砌采用梁單元模擬。為了確保二維模型有足夠計算精度，本次計算對計算范圍進行了一定的限制。建模選取范圍為:模型寬77 m，高70 m。靠山側取5倍洞跨，靠水庫側取至坡形地面。同時考慮到明洞上方有高速公路橋梁跨越，其支座位于明洞頂部，在計算過程中考慮橋梁對隧道的加載作用。計算采用使用“激活、鈍化和屬性修改”單元的方法實現隧道的開挖和支護、圍巖軟化以及塌岸的模擬，巖體材料的本構模型采用Mohr-Coulomb屈服準則[2-4]。其模型見圖1。

表1 馬蹄石隧道各種狀態下的豎向位移 mm

根據上面所述的計算過程，分別計算三種狀態，這三種計算狀態下的位移結果見表1。

1)狀態一，水庫蓄水前隧道原始狀態下的位移。2)狀態二，在水庫蓄水后，岸坡巖石發生軟化情況下隧道的位移。3)狀態三，在水庫蓄水后，岸坡發生塌岸情況下隧道的位移。

根據有限元計算結果，對三種狀態下的隧道豎向位移進行對比。

從表1計算結果中可以看出，隧道在開挖的原始狀態下各個部分的位移均較小。在狀態二的情況下，即部分岸坡巖體發生軟化，隧道各個部位的豎向位移均有所增加，但位移增量較小。而當岸坡發生塌岸時，隧道各個部位的位移均有較大程度上的增大，拱頂位移增幅尤為明顯。由此看出，岸坡發生塌岸遠比發生軟化對隧道產生的影響大。

上述計算是基于地層結構法對馬蹄石隧道變形進行了分析，下面將針對隧道的二次襯砌的內力進行研究，本次內力計算選取DK249+948明洞段作為驗算截面，計算時考慮高速公路橋梁支座對隧道的加載作用。馬蹄石隧道襯砌內力計算主要分析隧道在蓄水前，以及蓄水后可能發生巖體軟化和岸坡塌岸的結構內力情況(見圖2～圖7)。

表2 馬蹄石隧道各種狀態下的襯砌內力

通過表2可以看出，在蓄水前隧道的原始狀態下，二次襯砌的各個部位的安全系數均能滿足規范要求。蓄水后，當岸坡的巖體發生軟化時，隧道各個部位的安全系數均有所降低，但降幅不大，同樣能夠保證隧道的安全運營。如果岸坡發生塌岸時，隧道二次襯砌的安全系數會有大幅降低，而墻腰位置的安全系數則不滿足規范要求。由此可以得出，岸坡發生塌岸遠比發生軟化對隧道產生的影響大，這與前面的地層結構法計算結果相符。

3 結語

由上述分析結果可以得出，由于馬蹄石隧道出口段的特殊地質條件，在沙沙坡水庫反復的蓄水、放水的情況下，會造成岸坡長時間被沖刷，更嚴重的導致岸坡塌岸，這樣對隧道的出口段二次襯砌產生顯著的影響。為此，建議采取加固岸坡的措施，可在岸坡處修建抗滑樁，或者修建漿砌片石護岸。

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