鄰近水庫長隧道開挖施工數值模擬分析*

陳小江

(廈門中平公路勘察設計院有限公司，福建 廈門 361008)

1 工程概況

廈門市海滄貨運通道(馬青路—疏港通道段)工程海新3號隧道是1座雙向6車道分離式隧道，洞徑寬14.8m，洞高7.6m，等價圓直徑11.2m。隧道左線全長1 205m，縱坡-1.01%；隧道右線全長1 246m，縱坡-1.04%。隧道進、出口段為殘積砂質黏土，屬于淺埋隧道，其余為深埋巖質隧道，圍巖地層為塊狀中風化花崗巖。在隧道左線西側約95m處有1座水庫，由于水庫蓄水時水面標高高出隧道拱頂標高20m，因此水庫對隧道開挖存在一定影響。目前，關于鄰近水庫隧道的研究較少，難以估計水庫影響程度，為此，本文通過開展有限元數值模擬分析，對鄰近水庫的影響進行研究，以期為地下水排放控制等相關研究提供參考。

2 有限元分析

通過有限元數值模擬分析，可計算建成后隧道圍巖穩定性及各施工階段變形、受力情況，因此有限元法在土木工程領域得到廣泛應用。有限元模擬隧道開挖過程的一般步驟可參考江學良等的研究。

2.1 模型建立

2.1.1基本假定

在實際施工場地中，各類條件均相當復雜，完全按照實際情況進行模擬難以實現，且工作量大。為減少部分工作量，作以下假定：①假定隧道圍巖及其上覆土層全部為各向同性均質體；②假定該鄰近水庫隧道初始應力場僅考慮自重應力作用；③假定所有變形均是一步到位，不考慮變形時效性；④假定隧道圍巖為彈塑性巖體，即胡克定律適用；⑤采用莫爾-庫侖理想彈塑性模型。

2.1.2開挖方案

在隧道開挖過程中選擇開挖方式時，主要根據隧址區圍巖強度等級和具體地質情況而定。本次模擬隧道段圍巖屬于Ⅳ級圍巖，級別較低，隧道穿越破裂狀中風化花崗巖層，距離上覆散體狀強風化花崗巖較近，開挖過程中易出現圍巖失穩，因此選用CD法(中隔墻法)施工。CD法施工工序為：①開挖隧道左側上部，在中隔墻處施作臨時支撐；②開挖隧道左側中部，在中隔墻處施作臨時支撐；③開挖隧道右側上部，在中隔墻處施作臨時支撐；④開挖隧道右側中部，在中隔墻處施作臨時支撐；⑤開挖隧道左側下部；⑥開挖隧道右側下部。上、下臺階相距為5～7m，每階臺階進尺為1～2倍洞徑。

2.1.3物理參數確定

根據鉆探資料得知，隧道鄰近水庫段涉及的巖土層包括粉質黏土、散體狀強風化花崗巖、強風化花崗巖、破裂狀中風化花崗巖及微風化花崗巖，巖土層物理力學參數根據相關力學試驗結果等取值，如表1所示。

表1 巖土層物理力學參數

2.1.4有限元模型

由于隧道縱向尺寸遠大于橫向尺寸，屬于細長結構物，因此假定圍巖在荷載作用下僅發生橫向位移，未發生縱向位移。模型尺寸越大，計算結果精度越高，適用性越好，但計算耗費的時間越長。已有相關理論分析和工程實踐表明，隧道開挖后的應力、應變僅在隧洞周圍距洞頂中心3～5倍寬度或高度范圍內存在影響，且在3倍寬度處的應力、應變一般在10%以下，在5倍寬度處一般為3%。因此，影響圍巖變形的范圍為3～5倍半徑。在本次有限元數值模擬計算中，隧道開挖半徑為7.8m，隧道結構斷面如圖1所示。

圖1 隧道結構斷面(單位：cm)

由于在隧道附近存在雷公山水庫，因此模擬時將隧道左側水庫以內的范圍考慮在內，上覆層按實際情況進行簡化模擬，隧道右側和下部按3～5倍洞徑影響范圍取值。隧道數值模擬分析模型及網格劃分如圖2，3所示。

圖2 三維幾何模型

圖3 網格劃分

2.2 結果分析

2.2.1圍巖位移

隧道在開挖過程中可能引起圍巖位移發生變化，通常表現為巖體沉降。在隧道開挖數值模擬中，可得到每個開挖階段圍巖總位移、徑向(x向)位移、軸向(y向)位移及豎向(z向)位移變化量。雷公山水庫蓄水前、后隧道開挖后圍巖最大位移如表2所示。

表2 隧道開挖后圍巖最大位移 mm

由表2可知，水庫蓄水后，隧道開挖后的圍巖最大總位移由水庫蓄水前的8.467mm增至9.073mm，增大了7.16%；徑向(x向)最大位移由水庫蓄水前的5.577mm增至7.560mm，增大了35.56%；軸向(y向)最大位移由水庫蓄水前的0.327mm增至0.577mm，增大了76.45%；豎向(z向)最大位移由水庫蓄水前的8.329mm增至8.924mm，增大了7.14%。

為更好地分析水庫蓄水對隧道開挖后圍巖位移的影響，選取10個點作為研究對象，分別位于同截面的左、右隧道兩側拱腳、兩側拱腰和拱頂處。計算結果表明，隧道圍巖軸向(y向)位移在水庫蓄水前、后均較小，最大位移僅為0.072mm，因此本文不做討論。

計算得到雷公山水庫蓄水前、后隧道圍巖位移曲線如圖4所示。

圖4 隧道圍巖位移曲線

由圖4a可知，對于鄰近水庫的左線隧道而言，無論水庫是否蓄水，從兩側拱腳到兩側拱腰再到拱頂，隧道開挖后的總位移均有逐漸增大的趨勢。與水庫未蓄水時相比，水庫蓄水時除鄰近水庫的研究點(左拱腳、左拱腰和拱頂)位移變化較小外，遠離水庫的研究點(右拱腳和右拱腰)位移明顯增大。其中，右拱腳位移由蓄水前的1.097mm增至蓄水后的2.044mm，增幅達86.33%；右拱腰位移由蓄水前的5.121mm增至蓄水后的6.414mm，增幅達25.25%。

由圖4b可知，拱頂位移由蓄水前的7.387mm降至蓄水后的5.146mm，減小了30.34%；其余位置研究點在水庫蓄水前、后的位移變化較小，幾乎可忽略不計。

圖4c中位移差值負值表示水庫蓄水后隧道開挖引起的圍巖位移與較蓄水前減小。由圖4c可知，相比水庫蓄水前，左線隧道研究點位移均有所減小，其中拱頂位移減小幅度最大，減小了1.184mm；對于右線隧道，水庫蓄水后左拱腳、右拱腳、右拱腰位移減小，左拱腰、拱頂位移增大，但變化幅度較小。

由圖4d可知，水庫蓄水后，對于鄰近水庫的左線隧道，左拱腳、左拱腰處圍巖豎向(z向)位移變化較小，其余位置研究點位移變化較大；對于遠離水庫的右線隧道，左拱腳、右拱腰處圍巖豎向(z向)位移減小，其余位置研究點圍巖豎向(z向)位移增大，增大了2.244mm。

2.2.2圍巖應力

圍巖應力是評價圍巖穩定性的重要指標之一。在隧道開挖過程中，一旦圍巖應力超過其承載極限，圍巖會開裂甚至坍塌。由于水庫中儲存的水會在地下流失，在流失路徑上的巖體會被軟化，進而降低巖體強度。因此，水庫蓄水后會對隧道開挖后的圍巖應力產生影響。為更好地了解水庫蓄水對隧道圍巖應力的影響，同樣選取位于同截面的左、右隧道兩側拱腳、兩側拱腰和拱頂處10個點作為研究對象，分析水庫蓄水前、后隧道開挖后圍巖應力變化比，結果如圖5所示。

圖5 圍巖應力變化比曲線

計算結果表明，無論水庫蓄水與否，拱腳處圍巖總應力最大，拱腰處次之，拱頂處最小。從變化幅度來看，由圖5a可知，左線隧道右拱腳、右拱腰和拱頂總應力均發生了顯著變化，其余位置研究點總應力變化幅度較小。其中右拱腳增大了1 447.290kPa，增幅為135.55%；右拱腰增大了265.706kPa，增幅為79.03%；拱頂增大了119.120kPa，增幅為55.51%。右線隧道右拱腳和拱頂處圍巖總應力變化較明顯，其中右拱腳增大了162.97kPa，增幅為15.05%；拱頂減小了89.086kPa，減幅為27.29%。因此，在注漿和襯砌施工過程中，需特別注意應力變化較大的部位，防止不必要的事故發生。

由圖5b～5e可知，水庫蓄水后，右線隧道各研究點徑向(x向)、軸向(y向)、豎向(z向)、剪切應力變化幅度較小。水庫蓄水后，左線隧道右拱腳、右拱腰、拱頂處徑向(x向)應力變化幅度較大，其余位置研究點應力變化幅度較小；右拱腳、左拱腰、拱頂軸向(y向)應力變化幅度較大，其余位置研究點應力變化幅度較小；右拱腳、右拱腰、拱頂處豎向(z向)應力變化幅度較大，其余位置研究點應力變化幅度較小；右拱腳、右拱腰、拱頂處剪切應力變化幅度較大，其余位置研究點應力變化幅度較小。

2.2.3圍巖穩定性

如果圍巖壓力太小，隧道處于松弛狀態時易坍塌，因拱結構壓應力對結構有利，因此需分析結構最小壓應力點，因該點很可能不穩定，通過對比該點拉應力與試驗中巖石拉伸斷裂破壞時的應力分析其穩定性，但壓應力不是越大越好，當壓應力增至一定程度時，可能發生壓縮破壞，因此最大壓應力點也可能是不穩定的。

計算得到隧道圍巖研究點破壞應力如表3所示。水庫蓄水前，圍巖最大應力發生在左線隧道右拱腳處，最小應力發生在左線隧道拱頂附近。就水庫蓄水前應力最大處而言，巖石破壞時的有效總應力σ0=2.335MPa，而最大主應力σ1=112.923MPa，可知該點穩定。無論水庫蓄水與否，各研究點破壞應力均較所承受的應力大，因此可斷定隧道開挖后圍巖較穩定，不會發生破壞。

表3 隧道圍巖研究點破壞應力 MPa

3 滲流分析

滲流指流體通過多孔介質的流動，在隧道滲流分析中，流體一般特指水流，因圍巖多孔介質尺寸和形狀過于復雜，介質間的孔隙尺寸存在差別，此外，因某些多孔介質中存在親水性物質，對水具有吸附作用，故水流質點在其中的運動不連續，且運動規律難以描述，為方便對滲流問題進行分析，目前應用較廣泛的方法包括理論解析法、試驗模擬法、水力圖解法和數值模擬法。

滲流分析的主要任務包括確定浸潤線位置、滲透坡降、滲透流量和滲透流速分布，由于對隧道地下水允許排放量影響最大的為滲透流量，因此本文僅分析雷公山水庫對海新3號隧道滲流流量的影響。進行滲流模擬分析時，需作以下理論假設：①任意斷面上水頭和壓力分布與真實流體相同；②模擬流體流動過程中所受阻力與真實流體所受阻力相同；③通過任意截面的流量與真實流體通過該截面的流量相同。

海新3號隧道滲流來源主要考慮附近水庫水體滲流，分析隧道開挖完成后附近水庫水體是否滲入隧道，進而確定地下水允許排放量。雷公山水庫距隧道僅95m，水庫蓄水后水面標高較隧道拱頂高出20m。因此，僅憑經驗無法確定水庫水體是否滲入隧道，也無法確定水體滲入量，因此無法確定最終的允許排放量。考慮圍巖物理力學參數及其滲透性，建立了海新3號隧道滲透模型。

水庫蓄水后，隧道開挖一旦完成，其周圍形成的開挖面即為滲流面，當水滲透到該滲流面，會從此處滲流而出。節點滲流云圖如圖6所示，由圖6可知，水庫周圍水體滲流量較大，其余位置滲流量較小。左、右線隧道周圍水體滲流量基本為0，表明水庫中的水不能通過地下滲流至隧道內，不會影響隧道地下水允許排放量的確定。

圖6 節點滲流云圖(單位：m·s-1)

4 結語

本文利用有限元軟件MIDAS/GTS對廈門市海滄貨運通道(馬青路—疏港通道段)工程海新3號隧道進行數值模擬分析，研究鄰近水庫對長隧道的影響，為后續分析地下水排放及控制提供了參考。

1)隧道開挖后圍巖位移一定程度上受鄰近水庫蓄水的影響。水庫蓄水前圍巖最大總位移為8.467mm，蓄水后增至9.073mm，增幅為7.16%。水庫蓄水后，對于左線隧道，遠離水庫的研究點(右拱腳和右拱腰)總位移明顯增大，其中，右拱腳總位移增幅達86.33%，右拱腰總位移增幅達25.25%；對于右線隧道，拱頂總位移減幅達30.34%，其余位置總位移變化較小，幾乎可忽略不計。

2)隧道開挖后圍巖應力受鄰近水庫蓄水的影響較大。水庫蓄水后，左線隧道右拱腳、右拱腰和拱頂總應力均發生了顯著變化，其中右拱腳總應力增幅為135.55%，右拱腰總應力增幅為79.03%，拱頂總應力增幅為55.51%。右線隧道右拱腳和拱頂處圍巖總應力變化較明顯，其中右拱腳總應力增幅為15.05%，拱頂總應力減幅為27.29%。在注漿和襯砌施工過程中，需特別注意應力變化較大的部位，防止不必要的事故發生。

3)圍巖穩定性分析結果表明，無論水庫蓄水與否，各研究點破壞應力均較所承受的應力大，因此可斷定隧道開挖后圍巖較穩定，不會發生破壞。

4)隧道滲流分析結果表明，水庫周圍水體滲流量較大，其余位置滲流量較小。左、右線隧道周圍水體滲流量基本為0，可知水庫中的水不能通過地下滲流至隧道內，不會影響隧道地下水允許排放量的確定。