沭水東調(diào)工程引水隧洞開挖過程仿真分析

謝 忱，梁其東

（1.山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州266300；2.日照市水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 日照276800）

本文利用Midas 有限元軟件對沭水東調(diào)工程中引水隧洞開挖過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，由于模擬隧道開挖后的時間較短，暫不考慮滲流場對應(yīng)力分布的影響，簡化計算模型，探究引水隧洞開挖過程中圍巖應(yīng)力變化情況，為工程開挖提供技術(shù)支持。

1 工程概況

沭水東調(diào)工程引水隧洞西起何家村，東至三莊鎮(zhèn)，門洞形斷面，隧洞設(shè)計長度18.37 km，屬長距離引水隧洞，該引水隧洞將沭河流域中3 座水庫中的水引入日照缺水地區(qū)水庫上游中，極大程度上解決了日照市部分地區(qū)供水困難問題。

在整個引水隧洞區(qū)段內(nèi)，地面高程變化較大，最大高程為690 m，最大高程差可達(dá)562 m。隧洞沿線穿越山巒、溝谷、河流等多種地形，埋深在96～460 m 不等。年平均降水量為860 mm，地下水分布主要包括孔隙水、裂隙水及巖溶水。由于部分區(qū)段巖層較破碎，地下水分布不均勻，地下水易流失。

2 數(shù)值建模

為了更好的了解引水隧洞開挖過程中可能出現(xiàn)的問題，分析開挖過程引水隧洞圍巖應(yīng)力與位移變化量，利用Midas 有限元軟件對隧洞開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

首先對土體進(jìn)行建模，模型選取隧洞沿線12+000～14+000 段四級圍巖區(qū)域，長度50 m。引水隧洞開挖寬度4.1 m，開挖高度4.55 m，根據(jù)相關(guān)理論，建模范圍選取應(yīng)力應(yīng)變影響低于3%的范圍，即為5 倍開挖寬度，故模型寬度取42 m，引水隧洞上部巖土體按照現(xiàn)場地質(zhì)勘察情況建立，隧洞底部取23 m 深度。綜上所述，本次對引水隧洞建模模型尺寸為：42 m×115 m×50 m。

網(wǎng)格劃分方案采用四面體劃分，隧洞開挖周圍巖土體應(yīng)力應(yīng)變影響范圍超過10%的區(qū)域（約為隧洞開挖周圍直徑15 m 區(qū)域）逐級網(wǎng)格細(xì)化，建模效果圖如圖1 所示。

2.2 數(shù)值模擬模型選擇

引水隧洞洞身、及其圍巖均屬于非線性材料，對于這類材料，Midas 軟件中適用的模型有劍橋模型、Mohr-Coulomb 等本構(gòu)模型。其中Mohr-Coulomb 模型適用于彈性或彈塑性變形，摩爾-庫倫強(qiáng)度對材料抗拉屈服條件以及抗壓屈服條件進(jìn)行了說明，隧洞及隧洞圍巖屬堅質(zhì)脆性材料，宜使用摩爾庫倫模型按彈塑性準(zhǔn)則對引水隧洞及周圍巖土體進(jìn)行數(shù)值建模。另外，為簡化有限元模型，認(rèn)為在開挖時間相對較短的情況下，挖去部分周圍巖土體中水的滲流相對較慢，假定不考慮滲流場對應(yīng)力場的耦合作用。

圖1 引水隧洞建模效果圖

2.3 邊界條件及參數(shù)選擇

對完成建模及劃分網(wǎng)格后的模型進(jìn)行邊界條件及參數(shù)設(shè)置。模型上表面設(shè)定邊界條件為自由邊界，模型四周表面設(shè)定邊界條件為豎向位移約束，模型底面設(shè)定邊界條件為固定端。

模型參數(shù)選擇參考地勘資料設(shè)定，模型頂層區(qū)域為風(fēng)化巖，γ=17 kN/m3，ψ=29°，μ=0.35，c=0.07 MPa，E=0.8 GPa；中層區(qū)域為破碎礫巖、礫質(zhì)土，屬Ⅴ級圍巖，γ=20 kN/m3，ψ=28°，μ=0.34，c=0.2 MPa，E=1.5 GPa；下層也是引水隧洞開挖層為斷裂帶，巖體較破碎，屬Ⅳ級圍巖，γ=22 kN/m3，ψ=35°，μ=0.31，c=0.5 MPa，E=3.0 GPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

隨著引水隧洞的開挖打破了原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力發(fā)生明顯變化，隧洞底部和側(cè)壁中央的應(yīng)力變化最大，對于開挖前進(jìn)方向，隧洞開挖對前進(jìn)方向中心點處的影響最大。為了進(jìn)一步探究隧洞開挖對周圍巖土體的應(yīng)力影響值，選取模型中心點處（隧洞縱向25 m 處）作為研究截面，見圖2 和圖3。

圖2 引水隧洞模型中心點開挖前后最大主應(yīng)力云圖

圖3 引水隧洞模型中心點開挖前后最小主應(yīng)力云圖

圖2 與圖3 中，四個階段云圖分別為開挖至中心截面-5 m 處、開挖至中心截面0 m 處、開挖至中心截面+5 m 處、開挖至中心截面+10 m 處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖。由兩組圖可知，在開挖一定距離后，開挖方向正前方5 m 處圍巖應(yīng)力已經(jīng)出現(xiàn)了變化，最先出現(xiàn)變化的是隧洞頂端區(qū)域；當(dāng)開挖至選定隧洞截面時，圍巖應(yīng)力變化量較大，但在此瞬間圍巖應(yīng)力變化分布較為均勻，還未明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；隧洞開挖前進(jìn)5 m 之后，選定隧洞截面應(yīng)力變化范圍擴(kuò)大，約為開挖瞬間的1.5 倍，隧洞周圍明顯出現(xiàn)了三處應(yīng)力集中區(qū)，最小主應(yīng)力集中分布在隧洞左側(cè)、右側(cè)中部以及隧洞底板，最大主應(yīng)力主要在隧洞拱頂、左側(cè)、右側(cè)底角衰減較快；當(dāng)開挖至選定隧洞截面前進(jìn)方向10 m 處時，圍巖應(yīng)力變化范圍影響區(qū)域增大，但應(yīng)力變化程度降低，圍巖應(yīng)力變化已經(jīng)趨于平穩(wěn)。

進(jìn)一步，研究最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的變化情況，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，將隧洞開挖各點的最小、最大主應(yīng)力分別繪制曲線，如圖4 所示。

圖4 隧洞開挖過程最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力變化曲線

圖4 中可以明顯地看出：當(dāng)開挖進(jìn)度距離距選定截面5 m 時，選定截面主應(yīng)力變化不明顯；隨著開挖進(jìn)度的增加，選定截面主應(yīng)力變化程度增大，直至開挖至選定截面1 m 處時，選定截面周圍最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力同時產(chǎn)生突變，隧洞兩側(cè)中部和隧洞底板中心突變量最為明顯，突變量可達(dá)1.5 MPa；在選定截面被開挖超過1 m 后，選定截面的圍巖應(yīng)力變化開始減弱并隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到一個新的穩(wěn)定值。

3.2 位移結(jié)果分析

為了方便數(shù)值計算的結(jié)果對照，位移結(jié)果分析仍選取與應(yīng)力分析時隧洞相同位置，即為隧洞開挖中心處截面，在整個開挖模擬過程中，引水隧洞中心截面出現(xiàn)的水平位移與豎向位移如圖5所示。

圖5 引水隧洞開挖過程水平位移與豎向位移等勢圖

由圖5 可以看出，隧洞中心截面處水平位移和豎向位移的最大值分別位于隧洞左右兩側(cè)中部和隧洞底板中心處，位移值分別為5.69 mm（方向指向隧洞內(nèi)側(cè)）和4.34 mm（方向豎直向上）。

4 結(jié)論及建議

本次對沭水東調(diào)工程引水隧洞開挖數(shù)值仿真主要有如下結(jié)論：1）在隧洞開挖過程中，開挖截面的應(yīng)力集中區(qū)主要分布在隧洞兩側(cè)中部以及隧洞底板中心處；2）隧洞開挖對1 m 范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力影響最大，超過此范圍時，圍巖應(yīng)力變化開始減弱并逐漸趨于平穩(wěn)；3）隧洞開挖時，開挖截面最大水平位移值為5.69 mm，最大豎向位移值為4.34 mm。

建議隧洞開挖時，應(yīng)適當(dāng)降低開挖速度，防止開挖過快使得前進(jìn)方向圍巖應(yīng)力釋放速度增大；在開挖過程中，隧洞支護(hù)要及時，盡量不要晚于開挖進(jìn)度1m 以上；建議加強(qiáng)隧洞側(cè)壁中部以及隧洞底板中心點處隧洞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止底板隆起和側(cè)壁凹陷，出現(xiàn)此類情況時應(yīng)立即停止開挖工作并對破裂處進(jìn)行加固處理。