輸水隧洞穿越河谷段上覆巖層厚度優化設計研究

李海軍

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112300)

1 工程背景

遼寧省某重點輸水工程二期工程可以將工程的調入水量輸送至遼西北地區的重要城市和工業區，可以有效促進水庫以及河湖水系的連通，同時為農村地區提供飲用水和高效農業用水，并具備向周邊地區供水的能力，具有十分重要經濟效益、社會效益和生態效益。錦州輸水隧洞是該工程白石段隧洞的一部分，主要用于解決錦州市、20家子工業園以及葫蘆島市城市生活和生產用水問題，隧洞全長35.06km，起點由輸水主線壓力隧洞末端的取水豎井，終點位于小凌河左岸灘地，隧洞為城門洞型斷面設計，寬度和高度為4.6m×5.25m，設計最大輸水規模為15.39m3/s[1]。隧洞全部采用鉆爆法施工，隧洞起點底板高程100.0m，出口底板高程97.0m，洞底縱坡0.086‰，洞內水深3.95m，凈空高度1.30m，凈空率20.1%。輸水隧洞穿越小西溝洞段位移樁號C1+203～C2+105之間，由于兩岸山體較陡，坡度較大，河谷深切，因此河谷底部與隧洞的垂直距離較小。如果整體增大隧洞埋深，則會導致工程成本的大幅增加，否則不利于工程的安全穩定?；诖?，此次研究利用數值模擬的方式，探討研究洞段上覆巖層厚度的最小安全距離，以便為工程施工設計提供支持。

2 FLAC3D計算模型

2.1 軟件選擇

在巖土工程領域圍巖穩定性分析的常用數值模擬方法較多，主要有有限元法(FEM)、離散單元法(DEM)、快速拉格朗日分析法(FLAC)、邊界單元法(BEM)和不連續變形分析法(DDA)[2]。其中，FLAC(Fast Lagangian Analysis for Continua)是美國明蘇尼達州咨詢公司專門為地質工程研發額一款有限差分計算軟件，不僅可以較好的對巖土材料達到強度極限或屈服極限后產生的破壞或塑像流動進行準確模擬，在應用于大變形時也能取得較好的效果[3]?；诖?，此次研究選擇FLAC3D軟件進行背景工程計算模型的構建。

2.2 計算模型的構建

根據研究洞段的地質勘查資料，樁號C2+010～C2+42洞段位于河谷底部，上覆巖層的厚度最小，因此將該洞段作為研究洞段。該洞段的上覆巖層自上而下分別為Ⅳ類和Ⅴ類巖體，巖性主要是白云質灰巖、泥灰巖和鈣質頁巖。根據相關研究成果，均值彈性的圓形洞室在無限開挖時，圍巖的應力應變在卸荷釋放的作用下會發生一些變化，一般在洞室半徑5倍之外的區域其影響不超過1%，在半徑3倍之外的區域其影響不超過5%[4]。鑒于研究洞段為城門洞型斷面，同時考慮到其他因素的影響，研究中選擇5倍洞徑確定計算范圍，模型的頂部至地表[5]。對建立的幾何模型利用6面體8節點實體單元進行網格剖分，對柱形隧洞的外圍漸變放射網格進行建模，然后對模型網格進行離散化，最終獲得10056個網格單元，11567個節點。在模型網格剖分過程中，不同部位的網格劃分雖然相同，但是對不同類型的圍巖進行不同的物理力學參數賦值，以有效模擬隧洞開挖后的變形情況[6]。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計算參數

在FLAC3D有限元軟件中提供了12種本構模型，此次研究選擇地質材料普遍選用以及對地下開挖均使用的摩爾-庫倫模型。根據研究需要，計算模型采用位移-應力邊界條件[7]。由于項目區沒有應力實測資料，因此選取豎向應力作為巖體的自重應力，其數值根據各類圍巖容重的均值計算獲取。對模型的底部施加全位移約束條件，模型的兩側為豎向位移約束條件，頂部為自由邊界條件[8]。

模型材料的物理力學參數對計算結果存在顯著影響，研究中選擇摩爾-庫倫模型所需要的材料參數，有關參數依據相關技術規范和前提地質勘測數據綜合確定，具體見表1。

表1 模型材料物理力學參數

2.4 計算方案

為了獲取最佳上覆巖層厚度，研究中結合類似工程經驗和相關研究成果，從10～20m，間隔1m設置11種計算工況，對不同上覆圍巖厚度下的圍巖的位移、應力和安全系數進行計算，根據計算結果，確定最佳上覆巖體厚度。

3 計算結果與分析

3.1 位移

利用構建的有限元模型，對不同上覆巖厚度下的隧洞圍巖的位移進行模擬計算，在計算結果中提取拱頂沉降、拱肩收斂、拱腰收斂以及拱底隆起變形量，見表2。由表中的計算結果可以看出，覆巖厚度會對隧洞各關鍵部位的位移量造成比較顯著的影響，是位移變形的主要影響因素之一。以表2中的數據為基礎，繪制出隧洞各關鍵部位的位移量隨覆巖厚度的變化曲線，結果如圖2所示。由圖可以看出，隨著覆巖厚度的增加各關鍵部位的位移量均呈現出迅速減小后逐步趨于平穩的變化趨勢。具體來看，當覆巖厚度小于15m時，位移量的減小比較迅速且幅度較大，當覆巖厚度大于15m時，位移量的減小幅度較為有限。

表2 不同覆巖厚度位移量計算結果

圖2 位移量隨覆巖厚度變化曲線

3.2 應力

利用構建的有限元模型，對不同上覆巖厚度下的隧洞圍巖的應力分布情況進行模擬計算，在計算結果中提取最大主應力、最小主應和最大剪應力值，見表3，并繪制出應力值隨覆巖厚度的變化曲線，結果如圖3所示。由表3和圖3可以看出，隧洞上覆巖體的厚度對圍巖應力值存在比較明顯的影響；隨著上覆圍巖的厚度的增加，圍巖的應力值呈現出先迅速減小并逐漸趨于平穩的變化特點。具體來看，當研究洞段的上覆巖體厚度小于15m時，隨著上覆巖體厚度的增加，最大主應力、最小主應力和最大剪應力值迅速減??；當研究洞段的上覆巖體厚度大于15m時，隨著上覆巖體厚度的增加，最大主應力、最小主應力和最大剪應力值減小幅度較為有限并逐漸趨于平穩。

表3 不同覆巖厚度圍巖應力計算結果

圖3 圍巖應力值隨覆巖厚度變化曲線

3.3 安全系數

圍巖安全穩定系數是地下洞室工程開挖施工方案評價，保證施工安全進行的重要指標。研究中利用研究洞段的圍巖位移和應力計算結果，對不同上覆巖體厚度條件下的安全系數進行計算，根據計算結果繪制出如圖4所示的研究洞段圍巖安全系數隨上覆巖體厚度的變化曲線。由圖可以看出，圍巖安全系數隨著上覆巖體厚度的增大而增大，說明增大上覆圍巖厚度可以有效提高隧洞開挖后圍巖的安全穩定系數。從具體的變化規律來看，隨著上覆巖體厚度的增加，隧洞圍巖安全系數呈現出先迅速增大后逐漸趨于平緩的變化特點。因此，大幅增加上覆巖體厚度并不能明顯提升圍巖安全穩定性。從具體數值來看，當上覆巖體厚度為14m時，圍巖安全系數為1.56，略大于1.50的工程設計值，考慮到施工中圍巖穩定性的影響因素較多，需要有一定的冗余，建議將上覆巖體的厚度設計為15m，此時圍巖的安全系數為1.71。

圖4 圍巖安全系數隨上覆巖體厚度變化曲線

4 結語

此次研究以具體工程為背景，利用數值模擬的方式探討了輸水隧洞穿越深切河谷段上覆圍巖厚度設計問題，獲得的主要結論如下。

(1)圍巖的位移和應力值隨著上覆圍巖厚度的增加先迅速減小后逐漸趨于平穩，當上覆巖體厚度大于15m時減小幅度較為有限。

(2)當上覆巖體厚度為14m時，圍巖安全系數為1.56，略大于1.50的工程設計值，上覆巖體的厚度設計為15m時，圍巖安全系數為1.71，有一定的冗余量。

(3)結合計算結果和工程經濟性，建議將上覆巖體的厚度設計為15m。