雙拱引水隧洞在不同工況下豎向位移的數(shù)值模擬研究

毛遠(yuǎn)輝，侯付闖

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，烏魯木齊 830000；2.陜西中凱恒瑞工程項(xiàng)目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

隨著水利引水工程的大量建設(shè)，不可避免出現(xiàn)越來越多的隧洞工程，對(duì)此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。王閱章[1]依托某隧洞工程，研究了不同超前小導(dǎo)管管徑對(duì)隧洞地表沉降的影響，研究結(jié)果表明外插角對(duì)地表沉降影響最密切。陳福勇等[2]結(jié)合隨機(jī)場(chǎng)理論，提出了大尺度三維隨機(jī)場(chǎng)生成方法，結(jié)果表明隨機(jī)場(chǎng)計(jì)算得到的隧洞失效概率小于傳統(tǒng)的計(jì)算方法。冉建西等[3]描述了陣列式位移法在盾構(gòu)隧洞施工期中的運(yùn)用，認(rèn)為該位移法可解決盾構(gòu)機(jī)與觀測(cè)工作之間的矛盾。王煉[4]介紹了兩個(gè)圍堰工程的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其施工過程，并提出鋼樁設(shè)計(jì)改進(jìn)方法。賈元霞[5]針對(duì)傍山淺埋偏壓隧洞工程施工問題，提出放坡明挖、支擋明挖方案。研究結(jié)果表明，護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案中開挖及防護(hù)工程量小，滿足工程實(shí)際需求，值得大力推廣。于興達(dá)[6]認(rèn)為淺埋暗挖法隧洞施工技術(shù)是目前較為先進(jìn)的施工技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)的關(guān)鍵控制因素進(jìn)行了分析，最后提出了進(jìn)一步的優(yōu)化建議。孫江濤[7]認(rèn)為在隧洞支護(hù)施工中，“超前大管棚+小導(dǎo)管注漿”應(yīng)用前景較好，結(jié)合該方法本文提出了許多建議。林海秋[8]針對(duì)隧洞施工中存在的地質(zhì)災(zāi)害處理技術(shù)水平不高的問題，提出了多種地質(zhì)災(zāi)害處治措施，該處治措施可為同類隧洞災(zāi)害處治提供參考。

由于以上研究均未分析雙拱引水隧洞在不同工況下的豎向位移變化，因此本文結(jié)合某具體雙拱隧洞工程，利用數(shù)值模擬對(duì)不同工況下的隧洞位移進(jìn)行研究，以期為類似的隧洞工程提供參考與借鑒。

2 工程概況

某雙拱隧洞工程位于四川省巴中市，屬于引水隧洞，隧洞長(zhǎng)514 m。結(jié)合地勘資料可知，隧洞所處地層的原始地質(zhì)面貌是剝蝕殘丘、馬欄河階地以及海漫灘。上層覆蓋為第四系的素填土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)卵石層、黏土層、沖洪積層、坡洪積層，下伏青白口系細(xì)河群橋頭組、震旦系長(zhǎng)嶺子組板巖和石英巖的互層，局部存在中生代的燕山期輝綠巖層的侵入。

經(jīng)過地質(zhì)勘察，隧洞區(qū)域巖土體從上至下依次為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

數(shù)值模擬采用PLAXIS，數(shù)值模擬隧洞研究區(qū)域長(zhǎng)×寬×高為248 m×124 m×84 m，數(shù)值模擬見圖1。

圖1 引水隧洞模型圖(單位：m)

3.2 模型的屬性

PLAXIS 3D可提供線彈性模型、Mohr-Coulomb(MC)模型、Hardening-Soil(HS)模型，節(jié)理巖石(JR)模型、修正劍橋模型等多種本構(gòu)模型。結(jié)合該隧洞的實(shí)際地質(zhì)情況，選擇MC模型。數(shù)值模擬中，盾構(gòu)設(shè)備采用板單元進(jìn)行模擬。隧洞砼型號(hào)為C40，砼選擇彈性模型，彈性模量為3.45×1010Pa，體積模量為2.81×1010Pa。巖土體和盾構(gòu)設(shè)置的物理力學(xué)性質(zhì)見表1和表2。

表1 巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 盾構(gòu)設(shè)置相關(guān)參數(shù)

數(shù)值模擬共計(jì)862 026個(gè)節(jié)點(diǎn)，688 012個(gè)單元，模型計(jì)算至最大不平衡力變化率小于1×10-5截止。

選擇距離隧洞左線146 m處的斷面為典型斷面，對(duì)隧洞開挖進(jìn)行以下8種工況的研究：

工況1：左線盾構(gòu)到達(dá)前，即刀盤距離斷面8.8 m

工況2：左線盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，刀盤抵達(dá)斷面處

工況3：左線盾尾脫出，盾尾到達(dá)斷面

工況4：左線盾構(gòu)通過后，即盾尾脫離斷面8.8 m

工況5：右線盾構(gòu)到達(dá)前，刀盤距離斷面8.8 m

工況6：右線盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，刀盤到達(dá)典型斷

工況7：右線盾尾脫出，盾尾抵達(dá)斷面

工況8：右線盾構(gòu)通過后，盾尾離開斷面8.8 m

3.3 模擬的結(jié)果

利用數(shù)值模擬進(jìn)行研究分3種情況，分別為正常施工條件、不利地層損失率條件和有利地層損失率條件。正常施工條件是指按照設(shè)計(jì)要求正常開挖；地層損失指的是盾構(gòu)施工中挖土體積和建成隧洞體積之差；地層損失率為占盾構(gòu)理論排土體積的百分比。不利地層損失率和有利地層損失率均控制在10%以內(nèi)。

數(shù)值模擬結(jié)果見圖2-表4。

由圖2(a)可知，正常控制條件下，工況8的累積沉降最大，接近30 mm，工況左線盾構(gòu)到達(dá)前和右線盾構(gòu)到達(dá)時(shí)累積沉降最小。由圖2(b)可知，左線盾構(gòu)通過后的累積沉降最大，占比總沉降53%。

圖2 正常控制數(shù)值模擬結(jié)果

由圖3(a)可知，正常控制條件下，工況8的累積沉降最大，接近40 mm，工況左線盾構(gòu)到達(dá)前和右線盾構(gòu)到達(dá)時(shí)累積沉降最小。由圖3(b)可知，左線盾構(gòu)通過后的累積沉降最大，占比總沉降54%。

圖3 不利地層損失率數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4(a)可知，正常控制條件下，工況8的累積沉降最大，接近14 mm，工況左線盾構(gòu)到達(dá)前和右線盾構(gòu)到達(dá)時(shí)累積沉降最小。由圖4(b)可知，左線盾構(gòu)通過后的累積沉降最大，占比總沉降48%。

圖4 有利地層損失率數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

本文結(jié)合某引水隧洞開挖項(xiàng)目，對(duì)不同工況條件下的隧洞豎向位移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：

1)正常開挖條件下、不利地層損失率條件下和有利地層損失率條件下，不同的工況最大沉降約為30、40和14 mm，工況8情況下沉降最大。

2)在有利地層損失率條件下進(jìn)行施工，地層的沉降率明顯低于正常開挖和不利地層損失率條件，應(yīng)當(dāng)開展有利地層損失率的施工。

3)數(shù)值模型僅研究了3種工況下的沉降位移，并沒有從受力、工期和安全性條件進(jìn)行分析，此方面的研究有待進(jìn)一步深入。