引水隧洞圍巖穩定性數值模擬分析

劉克文，隋玉明

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 引言

由于長距離大流量引水調度的需要,在引水工程需要跨越山區時,受工程的選線往往由工程所在地的地形、地質地貌條件、對生態環境的保護以及土地征用等多重因素的影響與制約,在此情況下分離式隧洞也就應運而生[1-2]。而分離式隧洞相較于單線隧洞而言,具有引水流量大,穩定性好的特點[3]。研究分離式隧道施工過程中圍巖的應力、變形對保障施工的安全進行具有重要的意義[4]。

眾多學者對分離式隧洞圍巖穩定性做了大量的研究。在歐美及日本等地下工程施工技術較為發達的國家,自70年代就對分離式隧洞開展了相關地研究。日本的鐵道技術學會發表了《關于平行隧道研究的報告》,在報告中提出可將分離式隧道中心的圍巖視為完全彈性體。楊文獻等[5]采用有限單元法研究了不同側壓力系數下,分離式隧洞在不同開挖部下左右洞對中間圍巖穩定性影響程度,通過現場原位測試數據驗證了數值模擬的正確性。經過模擬和實測結果表明,相鄰隧道施工擾動對中間圍巖的影響隨側壓力系數的增大而增大。本文依托某山區引水隧洞工程為例,采用有限單元法軟件Flac 3D研究了分離式隧洞分部開挖圍巖豎向圍巖分布規律。

2 工程概況

2.1 工程設計情況

本隧洞為南水北調西部重要線路,位于山嶺地區。設隧道輪廓面為卵形隧道,其設計橫斷面見圖1。隧洞區地下水埋藏較深,洞室范圍內無地下水分布。地表水由大氣補給,水文地質條件較簡單。本隧洞所處地質條件較差,大部分為Ⅴ圍巖,自穩性較弱,對初期支護的要求較高。由于圍巖穩定性較差,所以不能一次開挖,根據工程情況采用上下臺階的方法。在開挖過程中,先開挖兩隧洞拱頂部分,再開挖下側。

圖1 分離式隧道橫斷面尺寸圖（單位：cm）

2.2 數值模擬方法

本次計算區域為橫向140 m,豎向64 m。即左右兩側計算邊界為四倍左右隧洞總跨度,下部邊界為2 倍左右隧洞總高度。輸入的材料參數列于表中。圍巖采用庫侖摩爾模型模擬,具體模型參數見表1。

表1 模型參數表

為更為真實地模擬實際工況開挖施工過程中分離式隧洞圍巖豎向變形分布規律。本文所處的Ⅴ級圍巖隧洞采用上下臺階法施工,因此施工過程的數值模擬過程包含以下幾步,分別為：（1）建立模型網格。（2）自重應力場模擬分析。（3）開挖兩隧道上臺階,部分土體計算。（4）開挖兩隧道下臺階,部分土地計算。（5）計算結果分析。

2.3 計算模型建立

本文計算工況圍巖模型的寬為140 m,埋深為64 m,而可將隧洞視為平面應變問題,可以取隧洞長度方向的單位長度進行模擬。因此可將分離式隧洞計算模型設置成長×寬×高為140 m×1 m×60 m的立方體。依據圖1建立的有限元計算模型見圖2。

圖2 分離式隧洞有限元計算模型

3 數值模擬結果分析

3.1 周邊地層應力變化分析

圖3為在自重作用下,計算平衡時圍巖整體豎向位移云圖。

圖3 自重應力場作用下的豎向位移（單位：m）

由圖3可以看出,在自重應力作用下,圍巖的豎向變形成層狀分布,這是由于在有限元單元法軟件建模過程中,圍巖可視為均質的、各相異性的連續性介質。且隨著埋深的增大,圍巖的豎向變形相應地也就越大。由圖3 可知,在深度為60 m處圍巖的平均沉降量可忽略不計；而在距離地表附近處,巖體的沉降量最大,達到12.7 mm,這是由于自重應力作用下個層圍巖位移累計沉降作用而導致的。

3.2 不同開挖部圍巖位移分布云圖

3.2.1 隧洞上部開挖后豎向位移云圖

由上文可知,本文所依托的工程所處的圍巖地質條件較差,大部分為裂隙較為發育、且圍巖強度較低的Ⅴ級圍巖,因此圍巖的自穩能力相對較弱。若采用全斷面開挖,則在施工過程中圍巖容易發生失穩破壞。因此本文采用臺階法施工,圖4 為隧洞上臺階開挖后圍巖豎向位移云圖。

圖4 隧洞上部開挖后垂直位移云圖（單位：m）

由圖4可以看出,在隧洞上臺階開挖后,圍巖發生應力重分布。由于在上部開挖后,圍巖所受的擾動較小,左、右隧洞輪廓面附近圍巖的豎向位移分布較為均勻,兩側隧洞的豎向變形分布在6 mm～8 mm區間內,且左、右行隧洞圍巖豎向應力大小與分布規律基本相似。但由于開挖作用,使得地表發生了不均勻的沉降,在隧洞的正上方的地面沉降量為12 mm,而在地表兩側地面的沉降量減小到1.15 mm。

3.2.2 隧洞上部開挖后豎向位移云圖

本文依托工程所處的圍巖為 Ⅴ 級圍巖,圍巖的穩定性較差,因而采用上下臺階開挖法進行施工,圖5 為下臺階開挖后圍巖的豎向位移云圖。

圖5 隧洞下部開挖后垂直位移云圖（單位：m）

由圖5可以看出,在隧洞下臺階開挖后,由于開挖擾動較大,此時隧洞的拱頂與拱底的豎向變形量均較大。隧洞兩側隧道的邊墻部分豎向變形量均收斂。由于上部荷載為均布荷載,且圍巖為完整的、均質的、各向同性的連續介質,因此兩側隧洞拱頂與拱底處豎向位移的數值大小與分布規律均相同。在隧洞拱頂部分出現最多沉降量,隧洞最大沉降量為2 mm～2.25 mm。距離拱頂越遠的拱肩部分,圍巖的沉降量基本為。隧洞最大隆起值出現在隧道的拱底中心處,且隧洞最大隆起值為1.32 mm～1 mm。

4 結論

本文依托某引水隧洞工程,采用有限單元法軟件Flac 3D研究了隧洞開挖圍巖豎向圍巖分布規律,得到了如下結論：

（1）在自重應力作用下,未開挖前,圍巖的豎向變形成層狀分布,在深度最大處圍巖的平均沉降量為0；而在距離地表附近處,巖體的沉降量最大,達到12.7 mm。

（2）在上臺階開挖后,使得地表發生了不均勻的沉降,在隧洞的正上方的地面沉降量為12 mm,而在地表兩側地面的沉降量減小到1.15 mm。

（3）豎向位移最大位于隧洞頂部,數值為2 mm。最大向上位移在位于隧洞拱底中心處,其隆起量在1 mm左右。