典型不良地質(zhì)條件下輸水隧洞安全分析

鄭漢種，魏海云，李 丹，趙震波

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

0 引 言

輸水隧洞工程是隱蔽工程，經(jīng)常會遇到巖溶、軟弱夾層等不良地質(zhì)，圍巖周邊巖溶的存在不僅在施工期時(shí)容易發(fā)生涌水突泥，在運(yùn)行期也極有可能導(dǎo)致水量滲漏損失[1]，軟弱夾層的存在降低了圍巖的整體強(qiáng)度，處理不當(dāng)可能導(dǎo)致隧洞圍巖的局部失穩(wěn)甚至產(chǎn)生大范圍的崩塌[2]，引起施工進(jìn)度拖延，甚至導(dǎo)致人員傷亡，造成嚴(yán)重的質(zhì)量和安全事故。

隧洞結(jié)構(gòu)與圍巖是一個(gè)受力整體，可采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的方法來設(shè)計(jì)和研究隧洞結(jié)構(gòu)[3]。然而，由于數(shù)學(xué)計(jì)算上的困難，這些方法在實(shí)際工程中運(yùn)用還相當(dāng)有限。隨著計(jì)算機(jī)的推廣和巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算方法在隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算中有了很大的發(fā)展，趙明階等[4]運(yùn)用二維彈塑性分析研究了隧道頂部不同大小、不同距離的溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；譚代明等[5]利用有限差分軟件FLAC3D對側(cè)部含有溶洞的隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較分析；翁振奇等[6]運(yùn)用Abaqus模擬隧道周圍不同位置存在隱伏溶洞時(shí)的狀況，得出了隱伏溶洞對隧道位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)范圍的影響；張志強(qiáng)等[7]建立含弱夾層不同的限元分析模型，分析不同級別圍巖下軟弱夾層對地下洞室圍巖的影響。但是，當(dāng)隧洞四周完全被溶洞所包圍和隧洞拱頂處同時(shí)有軟弱夾層存在時(shí)，對工程有何種影響還并未研究。為此，本文針對千島湖輸水隧洞面臨的不良地質(zhì)問題，采用數(shù)值模擬方法，分別進(jìn)行含溶洞、軟弱夾層工況下隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，為輸水隧洞施工安全提供參考。

圖1 巖溶段隧洞分布

1 工程概況

杭州市第二水源千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內(nèi)取水，通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區(qū)閑林水庫，同時(shí)在輸水線路途中向建德市、桐廬縣及富陽區(qū)部分區(qū)域供水。本工程為一等工程，千島湖進(jìn)水口、輸水隧洞、分水口、出口流量控制建筑物等主要建筑物為1級建筑物。輸水隧洞全線共分16個(gè)施工標(biāo)段，存在巖溶等地質(zhì)問題的主要為施工2標(biāo)。施工2標(biāo)位于建德市境內(nèi)，工程范圍為洪秋塘支洞控制段～樟村支洞控制段，隧洞樁號K12+608.05～K12+671.00段局部穿越坡積含碎石粉質(zhì)粘土及溶洞泥質(zhì)充填物，土體飽和可塑，土質(zhì)較松散，基礎(chǔ)較差；樁號K12+660.00～K12+680.00段左側(cè)存在大型溶洞，溶洞頂高程約77.2 m，橫向?qū)挾戎辽?5 m。巖溶段隧洞分布見圖1。溶洞實(shí)際情況見圖2。

圖2 溶洞現(xiàn)場

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

本次分析建立施工期隧洞初襯時(shí)的簡化數(shù)值計(jì)算模型，模型隧洞長度為10 m，隧洞底部至模型頂部為180 m，隧洞底部至模型底部為60 m，模型寬為200 m。根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況，分別建立3種不同的工況：①正常工況。隧洞穿過IV類圍巖，無其他不良地質(zhì)條件；②含溶洞工況。隧洞四周被溶洞所包圍，根據(jù)工程中溶洞實(shí)際的大小建立簡化溶洞模型；③含軟弱夾層工況。隧洞拱頂處存在1條厚2 m的水平夾層，根據(jù)工程實(shí)際支護(hù)，建立襯砌和錨桿模型。數(shù)值模型見圖3。

圖3 數(shù)值模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算參數(shù)的選取參考了工程已有試驗(yàn)結(jié)果和部分國內(nèi)外隧洞的研究資料，采用M-C彈塑性本構(gòu)模型。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算成果分析

3.1 位移分析

表2為不同工況下隧洞各位置最大位移。圖4～6為各工況下隧洞結(jié)構(gòu)位移。分析可知：

表2 不同工況下隧洞各位置最大位移 mm

圖4 正常工況位移云圖

圖5 含溶洞工況位移云圖

圖6 含夾層工況位移云圖

(1)正常工況下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中，拱頂處位移最大，為3.48 mm，拱腳處次之，拱腰處位移最小。因隧洞開挖后應(yīng)力回彈，拱底處位移較襯砌結(jié)構(gòu)大，最大位移為5.59 mm。

(2)含溶洞工況下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中，拱腳處位移最大，為4.70 mm，拱腰處次之，拱頂處位移最小，拱底最大位移為4.70 mm。相對于正常工況，拱頂處位移變化不大。由于隧洞受到兩側(cè)溶洞的影響，拱腰和拱腳處位移分別增加了134.9%和57.7%，增加幅度較大；右側(cè)的溶洞較大一些，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)位移大于左側(cè)位移。拱底處位移略有減小，這是由于施工時(shí)將溶洞內(nèi)的雜質(zhì)清除，并回填了混凝土，拱底處結(jié)構(gòu)彈性模量變大，導(dǎo)致位移變小。

(3)含夾層工況下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中，拱頂處位移最大，為3.80 mm，拱腳處次之，拱腰處位移最小，拱底最大位移為5.93 mm。相對于正常工況，隧洞結(jié)構(gòu)各部位位移均略有增大，拱頂、拱腰、拱腳和拱底處位移分別增加了9.2%、9.1%、5.0%和6.1%。因隧洞受到拱頂處軟弱夾層的影響，拱頂和拱腰處位移增大幅度略大一些。

3.2 應(yīng)力分析

表3為圍巖各位置最大主應(yīng)力。圖7～9為隧洞主應(yīng)力。分析可知：

(1)正常工況下，隧洞各位置最大主應(yīng)力均小于0，為壓應(yīng)力，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)拱頂處壓應(yīng)力最大，拱腰處次之，拱腳處應(yīng)力最小。因隧洞開挖后應(yīng)力回彈，拱底應(yīng)力較小。

表3 不同工況下隧洞各位置最大主應(yīng)力 MPa

(2)含溶洞工況，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的拱腰和拱腳均存在拉應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，拱頂和拱底處為壓應(yīng)力。相對于正常工況，含溶洞工況下，由于受到兩側(cè)溶洞的影響，隧洞應(yīng)力集中在拱腰位置，存在著拉應(yīng)力，隧洞兩側(cè)溶洞大小的不同，導(dǎo)致應(yīng)力在拱腰處的分布存在著差異性。

(3)含夾層工況下，隧洞各位置最大主應(yīng)力均小于0，為壓應(yīng)力，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，拱頂處壓應(yīng)力最大，拱腰處次之，拱腳處應(yīng)力最小，拱底應(yīng)力較小，最大壓應(yīng)力為1.22 MPa。相對于正常工況，拱頂處壓應(yīng)力無明顯變化，其他位置壓應(yīng)力均有一定幅度的增大。

圖7 正常工況應(yīng)力

圖8 含溶洞工況應(yīng)力

圖9 含夾層工況應(yīng)力

綜合隧洞結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分析結(jié)果可知，含溶洞工況下，拱腰和拱腳處的位移和應(yīng)力均有大幅度的增大。實(shí)際施工時(shí)可對拱腰和拱腳部位加強(qiáng)監(jiān)測工作，做好加固措施。含軟弱夾層工況降低了隧洞圍巖的整體剛度，隧洞結(jié)構(gòu)各部位的位移均略有增大，在實(shí)際施工時(shí)，可對該位置隧洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)適當(dāng)加密或增大襯砌混凝土的強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合千島湖配水工程實(shí)際情況，通過數(shù)值模擬方法，對輸水隧洞結(jié)構(gòu)正常工況、含溶洞工況和含夾層工況的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)正常工況下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，拱頂處位移最大，拱腳處次之，拱腰處位移最小。因隧洞開挖后應(yīng)力回彈，拱底處位移大于襯砌結(jié)構(gòu)。含溶洞工況下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的拱腰和拱腳處位移均有較大幅度的增大，隧洞右側(cè)位移大于左側(cè)位移。含夾層工況下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂和拱腰處位移增大幅度略大一些，其他各個(gè)位置的位移均有一定幅度的增大。

(2)正常工況下，隧洞各位置均為壓應(yīng)力。含溶洞工況下，隧洞應(yīng)力集中在拱腰處，存在拉應(yīng)力，兩側(cè)的溶洞大小的不同導(dǎo)致應(yīng)力在隧洞兩側(cè)的分布存在差異性。含夾層工況下，拱頂處壓應(yīng)力無明顯變化，其他位置壓應(yīng)力均有一定幅度的增大。

(3)含溶洞工況下，隧洞拱腰和拱腳處受到的影響較大，實(shí)際施工時(shí)可對隧洞拱腰和拱腳處加強(qiáng)監(jiān)測工作，做好加固措施。含軟弱夾層工況降低了隧洞圍巖的整體剛度，在實(shí)際施工時(shí)對該位置隧洞結(jié)構(gòu)錨桿支護(hù)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)加密或增大襯砌混凝土的強(qiáng)度。