下埋引水隧洞對地表變形的影響研究

董愛明

(上饒市三江導托渠管理有限公司，江西 上饒 334000)

1 前言

大中型城市的市政管網(wǎng)尤其涉及河流、溝渠的地區(qū)，常會設計引水隧道用于調(diào)節(jié)水量分配，由于其埋深較淺，對上部土體的變形常構成重要影響。學者們針對引水隧道上部土體的變形問題，進行了大量的相關研究。譚雙等[1]針對引水隧洞的塌方問題進行了研究。研究結果表明:施工過程中，隨著掌子面不斷前移，塌方區(qū)的體積和面積越大。劉德軍等[2-3]研究了臨近引水隧洞的隧道下穿施工可能給引水隧洞帶來的不利影響。研究結果表明:該隧道的施工會造成引水隧道結構振動響應增大，振動速度峰值超過容許接受范圍，以及不均勻沉降的問題，應改變設計方案。雷江等[4]研究了引水隧洞施工中遇到的大變形問題。研究結果表明:針對施工中軟巖的大變形問題，通過設置緩沖層，能夠有效避免大變形現(xiàn)象的發(fā)生。謝小帥等[5]研究了排水措施在引水隧洞中所發(fā)揮的作用。研究結果表明:排水孔的設置方式影響排水措施的作用效果，排水孔在減小外水壓力方面的作用隨著距離排水孔的距離越大而逐漸變小。劉寧等[6-7]研究了巖爆災害在引水隧洞施工中的危害特性。研究結果表明:通過應力和能量分析，巖爆發(fā)生的傾向位置能夠合理確定。

通過以上分析，可以看出，學者對引水隧洞的結構形式和受力特點進行了大量研究工作，而目前，關于混凝土結構形式的引水隧道工程，對上覆不同土層結構的土體的變形特征研究方面，涉及較少，本文依據(jù)一處于黏土和黃土地層中的引水工程，通過FLAC 3D 軟件對該地區(qū)的隧道上部土體的受力和結構變形進行了模擬。

2 工程概況

該淺埋引水隧道工程聯(lián)結河流和渠道，在城市水量分配中發(fā)揮了一定調(diào)節(jié)作用。引水隧道設計埋深6 m 深，隧道設計為圓形，半徑4 m，如圖1 所示的三維原始模型圖。由于圓形隧道的對稱性特征，圖中僅用隧道的二分之一對其三維剖面上的形態(tài)進行表示，隧道頂部埋深范圍內(nèi)的土體為黏土，隧道頂部至底部底層深度范圍內(nèi)的土體為黃土地層，隧道下部設置0.5 m 厚砂墊層，各土層材料的相關物理力學參數(shù)見表1。采用C45 的混凝土預制管片作為隧道結構。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

圖1 引水隧道三維示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

在FLAC3D 軟件，根據(jù)圖1 中的實際尺寸構建三維模型用于數(shù)值計算分析，由于隧道結構形式明確，埋深較淺，在構建模型時，不需要借助外部軟件，使用FLAC3 D 自帶的模型構建方法即可完成模型創(chuàng)建，即采用BLOCK 命令先將模型的整體尺寸設置，而后對各部分設置相應的土層材料參數(shù)，這主要通過“zone property”命令完成。為避免可能的邊界效應，模型在三維上的整體尺寸設置為60 m×40 m×30 m，最終構建的三維模型見圖2。為了實現(xiàn)變形分析，各層巖土體材料本構模型均采用摩爾庫倫模型，相應的本構特性根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)進行分別設置。

圖2 三維數(shù)值計算模型

3.2 整體位移變化特征

為了呈現(xiàn)隧道施工完成后，地表在承受荷載作用下的位移變形特征，通過調(diào)出整體的單元體變形位移云圖，獲得了如圖3 所示巖土體的整體位移云圖。同時為了研究荷載中部位置的位移變化特征，特別導出了如圖4 所示的巖土體的加載力中部位置的切片位移云圖，使得該部位的變形特征更加明晰。

圖3 土體整體位移云圖(單位:cm)

圖4 土體切片位移云圖(單位:cm)

圖3所示為隧道上方土體在受到荷載作用下的土體整體變形位移云圖，根據(jù)圖中所示圖例示意，分析位移變化特點，可以得出，最大荷載兩側土體的最大向上位移為0.39 cm，而荷載正中位置的最大向下位移為0.15 cm;在最大向上位移附近的土體的位移值變化速度較大，約為4.5(量綱為1)，隨著逐漸遠離最大向上位移處，位移值變化速度逐漸變小，最小值約為2.1(量綱為1)。可見，荷載作用處附近，土體變形受荷載作用影響較大。

圖4所示為隧道上方土體在受到荷載作用下，土體所受荷載中部位置切片位移云圖，根據(jù)圖中所示圖例示意，分析位移變化特點。可以得出，荷載作用位置中部兩側土體的最大向上位移為0.3 cm，而荷載正中位置的最大向下位移為0.125 cm;在最大向上位移附近的土體的位移值較大，位移值變化速度較小，約為2.7(量綱為1)，隨著逐漸遠離最大向上位移處，位移值變化速度逐漸增大，最大值約為6.9(量綱為1)，迅速減小為0.025 cm，幾乎為零值。可見，在距離上，越靠近荷載作用位置中部，土體變形受荷載作用影響越大。

由上述對隧道上部土體的整體位移云圖詳細解析，可知，荷載作用處附近，土體變形受荷載作用影響較大，土體的位移值變化速度較大，約為4.5;由對土體的切片位移云圖的詳細解析，可知，越靠近荷載作用位置中部，土體變形受荷載作用影響越大，位移值較大，位移值變化速度較小，約為2.7。

3.3 土體應力特征

為了分析引水隧道的存在，上部土體內(nèi)的應力特征，導出了上部土體的應力變化云圖，圖5 是土體橫向XX 主方向的應力云圖。圖6 是土體豎直方向ZZ 主方向的應力云圖。

圖5 土體XX 方向應力云圖(單位:kPa)

圖6 土體ZZ 方向應力云圖(單位:kPa)

圖5所示為隧道上方土體在受到荷載作用下的土體XX方向應力云圖，根據(jù)圖中所示圖例示意，分析XX 方向應力變化特點，可以得出，最大荷載下部土體的應力值最大，為290 kPa，為壓應力;在荷載加載位置兩側土體上拱位置處，出現(xiàn)了XX 方向的拉應力，大小約為2.3 kPa，而荷載正下方位置的XX 方向主應力均大于200 kPa;土體內(nèi)的最大應力集中于荷載作用處正下方，兩側土體的XX 方向主應力，最大值為7.5 kPa。

圖6所示為隧道上方土體在受到荷載作用下的土體ZZ方向應力云圖，根據(jù)圖中所示圖例示意，分析ZZ 方向應力變化特點，可以得出，最大荷載下部土體的應力值最大，為690 kPa，為壓應力;同樣的，與土體XX 方向應力變化特點一致，在荷載加載位置兩側土體上拱位置處，出現(xiàn)了ZZ 方向的拉應力，大小約為0.8 kPa，而荷載正下方位置的ZZ 方向主應力均大于400 kPa;土體內(nèi)的最大應力集中于荷載作用處正下方，兩側土體的ZZ 方向主應力，最大值為250 kPa。

4 結論

1)引水隧道上部土體，荷載作用處附近，土體變形受荷載作用影響較大，土體的位移值變化速度較大，約為4.5(量綱為1)。

2)對于上方土體，越靠近荷載作用位置中部，土體變形受荷載作用影響越大，位移值較大，位移值變化速度較小，約為2.7(量綱為1)。

3)荷載加載時，土體內(nèi)的XX 方向和ZZ 方向的最大主應力集中于荷載作用處正下方，在荷載加載位置兩側土體上拱位置處，出現(xiàn)拉應力，實際工程中，建議在隧道上部土體進行袖閥管加固處理，以增強土體的抗變形能力。