小斷面水工隧道成洞質量影響的數值研究

李 星

（新疆伊犁河流域開發建設管理局,新疆 伊寧 835000）

0 引言

針對小斷面水工隧道施工工程中引發的坍塌、沉降等問題,目前研究者們已經做了大量研究。楊俊生等[1]以某水電站為研究背景,采用數值分析的研究方法,探討了小斷面隧道圓形和馬蹄形截面的開挖技術,在此基礎上,胡本雄等[2]同樣就隧道斷面形式進行了比較分析。劉澤等[3]就小斷面隧道的爆破參數等進行了研究分析,并將其優化設計用于實際工程。馮依贊等[4]采用試驗分析的研究方法,針對小斷面隧洞的硬質圍巖爆破工程參數進行了具體的分析。曹宏新等[5]基于實際工程研究背景,就小洞徑隧道的開挖以及施工技術進行了優化改進處理。余永強等[6]采用數值模擬的分析方法,研究分析了某實例隧道開挖過程中的圍巖強度變化情況以及隧道成洞質量。祝云華等[7]采用數值模擬的分析方法,就軟弱圍巖下的隧道開挖質量以及圍巖穩定性進行了研究。類似地,石堅等[8]采用數值分析方法就隧道開挖過程進行了研究分析。

綜合上述研究,研究者們就隧道開挖以及圍巖穩定性問題進行了大量豐富的研究并取得了豐碩的成果,在此基礎上,本文采用FLAC3D 有限元分析軟件建立三維隧道模型,研究分析強弱參數下擾動層圍巖和隧道襯砌的位移以及應力變化特征,并就隧道成洞質量進行分析。

1 工程概況

本研究將實例工程隧道的某一地段作為研究對象,其背景工程實地地形見圖1,該區位屬于亞熱帶季風氣候區域,干雨季分明,四季區分不明顯。隧道總長為2036.78 m,圍巖穩定性較差。本文選取隧道DS6+500.25～DS6+856.31 地段,該地段地質構造多樣化并且穿過山谷等復雜地形,隧道的頂部巖層厚度為5 m～20 m,主要巖層分布為石英砂巖,泥巖,泥質粉砂巖以及粉質砂巖,巖層的傾角為43°。由于地形地貌和淺埋的復雜巖層影響,在隧道施工過程中出現了坍塌事故,其塌方現場見圖2。因此,為保證理想的施工質量,本研究基于工程背景選取該地段50 m 范圍作為研究對象,研究分析在隧道成洞質量不同的條件下隧道的圍巖穩定性影響。

圖1 工程背景實地地形圖

圖2 隧道塌方現場圖

2 計算模型

本節利用FLAC3D 建立了隧道計算模型,該模型總共劃分了38649 個節點和195624 個單元,其模型圖見圖3。模型的地基尺寸取為50 m×40 m×40 m,其中,隧道上方巖層厚度為5 m,風化土層厚度為3 m。隧道內徑為3.5 m,襯砌厚度0.4 m,質量為2500 kg/m3,楊氏模量為3.65×104MPa,泊松比為0.167。具體的巖層物理參數在表1 中給出。隧道開挖工況共分為25 步,其開挖循環進尺為2.0 m,且每開挖循環一次均對隧道周邊的巖層弱化參數進行計算。

圖3 隧道計算模型圖

表1 各巖層物理力學參數

3 結果分析

本節選取了隧道開挖進行至15 步時以及隧道完全開挖完成,即第25 步兩種工況條件進行圍巖斷面擾動層以及隧道襯砌的相關變化特征進行研究。主要分析在強弱參數條件下,擾動層圍巖和隧道的沉降位移變化規律和圍巖與隧道襯砌的有效應力大小變化特征。

3.1 擾動層和隧道沉降位移分析

本節選取了隧道開挖至第15 步時圍巖斷面強弱參數和擾動層沉降進行研究。其具體的位移沉降數據在表2 中給出,圖4 為對應的沉降分布曲線。由圖4 和表2 可知,圍巖斷面沉降隆起值隨著黏聚力的弱化而增大,其中,強、弱參數下沉值的增幅比值為1.34～23,最大增幅比在距離隧道洞口位置20 m 處；擾動層隆起值的增幅比值為1.17～78,最大增幅在距離洞口23 m,即谷底處達到。當擾動層的圍巖強度參數加強后,擾動層的隆起值不斷減小；反之,爆破等影響因素導致隧道圍巖的擾動層強度參數減小后其隧道圍巖位移沉降值不斷增大,在山谷和谷底處變化最顯著。因此,在實際施工過程中,當圍巖巖性較差時,應當注意開挖工作面的及時封閉以及隧道的及時支護。

圖4 開挖至15 步時圍巖斷面強、弱參數擾動層沉降位移曲線

表2 開挖至15 步時圍巖斷面強、弱參數和擾動層沉降統計表

開挖要完成時的圍巖典型斷面強弱參數和擾動層沉降結果見表3 和圖5,由圖表可知,對比強弱參數擾動層條件下的圍巖斷面沉降最大位移不難發現,弱參數條件下的圍巖最大位移較大。這一結論與上述工況結果類似,但是在山谷谷底位置的區域內最大位移對比并不明顯。

表3 開挖要完成時圍巖斷面強、弱參數和擾動層沉降統計表

圖5 開挖完成時圍巖斷面強、弱參數擾動層沉降位移曲線

3.2 擾動層和隧道襯砌應力分析

本節同樣選取了開挖至15 步時的圍巖斷面有效應力進行對比分析。其具體的最大有效主應力分布見表4,圖4 為對應的應力分布曲線。由圖表可知,隨著距離隧道洞口距離的增大,強弱參數條件下擾動層圍巖和隧道襯砌的拉壓應力均增大。當弱化擾動層的粘聚力后,圍巖斷面與隧道襯砌的有效應力呈現緩慢增大的現象,其中拉應力的增幅比值范圍為1.74～2.05；壓應力的增幅比值范圍為1.16～8.39。擾動層的圍巖強度增強后,其拉、壓應力不斷減小,與弱參數條件下的應力相比,其壓應力的減小幅值為48.76%～57.41%；拉應力的減小幅值為11.91%～86.24%。由此可以得知,隨著隧道圍巖擾動層強度參數的增大,圍巖和隧道襯砌結構的有效應力不斷減小,其中,拉應力的減小幅值較為顯著；反之,由于爆破等影響因素導致隧道圍巖強度參數弱化則使得圍巖和隧道襯砌的有效應力增大并出現應力集中現象,從而導致隧道坍塌和地面沉降的危害。因此,在巖性較差的山谷地段更容易發生大型塌方事故,在實際工程中,在對巖性較差地段進行開挖時應當及時對隧道以及地面進行支護從而確保施工安全有序地進行。

表4 開挖至15 步時圍巖斷面有效應力統計

圖6 開挖至15 步時圍巖斷面有效應力分布

表5和圖7 給出了隧道開挖至25 步,即開挖要完成時,強弱參數條件下圍巖典型斷面的應力特征分布,由圖表可知,山谷地段和隧道周邊圍壓有效應力隨著擾動層強度參數的增大而減小,并且拉應力的減小幅值更大。隨著巖層強度參數由于爆破等影響因素導致的強度弱化,四道圍巖的結構應力不斷增大,從而造成應力集中的現象。因此,對應地段的圍巖出現坍塌和地面沉降,更有甚者出現大面積的地面塌方,導致在建隧道出現坍塌事故。針對這種問題,在實際工程中應當注意施工開挖工作面的加固和及時支護工作。

圖7 開挖要完成時圍巖斷面有效應力分布

表5 開挖要完成時圍巖斷面有效應力統計表

4 結論

本研究以某實例小斷面隧道工程為研究背景,采用數值模擬的分析方法,研究分析了隧道開挖至15 步和25 步兩種不同工況下的圍巖擾動層典型斷面和隧道襯砌的沉降位移以及有效應力的變化規律。

（1）當開挖至15 步時,隨著擾動層的圍巖強度參數增加；擾動層的隆起值不斷減小；反之,隧道圍巖的擾動層強度參數減小后,隧道圍巖位移沉降值不斷增大；開挖要完成時,對比強弱參數擾動層條件下的圍巖斷面沉降最大位移可知,弱參數條件下的圍巖最大位移較大。

（2）當開挖至15 步時,隨著隧道圍巖擾動層強度參數的增大,圍巖和隧道襯砌結構的有效應力不斷減小；反之,隧道圍巖強度參數弱化使圍巖和隧道襯砌的有效應力增大并出現應力集中現象；當開挖要完成時,強弱參數條件下山谷地段和隧道周邊圍壓有效應力隨著擾動層強度參數的增大而減小；隨著巖層強度參數的弱化,圍巖的結構應力不斷增大。

（3）當圍巖巖性較差時,地段的圍巖容易出現坍塌和地面沉降導致在建隧道出現坍塌事故；在實際施工過程中,應當注意開挖工作面的及時封閉以及隧道的及時支護從而確保施工安全有序地進行。