地表下引水工程對上覆土體的位移和受力影響研究

王 帥

（深圳市廣匯源環境水務有限公司,廣東 深圳 518100）

1 前言

引水工程的修建勢必影響周邊區域的土體變形和問題,尤其針對下埋引水隧道工程,當隧道存在于淺層土體中的情況下,上部荷載將引發地表土體較大的側向位移變形。學者們針對引水工程上部土體的變形和受力特征問題,做了大量研究。朱學賢等[1-2]針對深埋引水工程,隧洞的長距離通風進行了研究。研究結果表明：通過分析計算分段各風機的供風量,確定的通風方案滿足了隧洞內的通風標準。李建林等[3]研究了小斷面引水隧道工程的開挖施工方法。研究結果表明：掏槽技術的提出,以及其與光面爆破相結合的方案設計,有效解決了小斷面硬巖中隧道施工難度大的技術難題,同時有效保證了施工效率。顧錫羚等[4]研究了引水工程對沙漠綠化的作用。研究結果表明：引水工程在沙漠綠化中貢獻極大,在類似沙漠地區可參考修建。張社榮等[5]研究了運行階段引水工程的監測數據獲取困難的問題。研究結果表明：基于分類樹方法提出的相應數據處理和分析體系,有效提高了數據處理和分析的效率。

通過以上的簡要分析,可以看出,學者們對引水工程在施工、管理、運營和遠期效應方面均開展了研究,而關于引水工程的施工所帶來的對上覆土體的受力和位移的影響,尚未有學者開展相應研究,本文依據一處于沉積土和黏土地層中的引水工程,通過FLAC3D 數值模擬軟件對該隧道的修建所造成的地表變形和受力變化進行模擬,以研究引水工程隧道在局部區域變形中帶來的問題。

2 工程概況

該引水工程采用圓形隧道截面,采用預制混泥土管片拼裝施工屬于市政管線,作為城市配水系統的組成部分,在供水水源上的水量分配方面,有重要作用。隧道頂位于地表下3 m,隧道設計半徑3.5 m,如圖1 所示為隧道的三維視圖。由于特征,圖中基于對圓形隧道對稱性的認識,展示時僅用二分之一隧道剖面,在圖中給出了相應的尺寸和土層名稱,隧道上部土體為粘土,隧道埋深范圍內的隧頂至隧底深度范圍內,土體為粉細砂地層,在位于隧道下部位置處設置0.3 m 厚砂卵石墊層,各土層材料的相關物理力學參數見表1。預制管片為采用標號C45 混凝土在管片場預制而成,管片的物理力學參數,列于表1 最后一行。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 引水工程隧道三維示意圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

根據圖1,按照引水隧道三維實際尺寸在FLAC3D 軟件,構建與實際模型一致的三維模型,以便數值計算結果能夠反映真實情況,由于FLAC3D 有內置的模型構建板塊,因此采用其自身內置的模型構建模塊進行該隧道模型的構建,首先構建整體模塊,這主要通過BLOCK 命令完成,整體大小為50 m×30 m×20 m,這主要為了有效避免邊界效應的影響,在根據不同土層埋深,采用表1 中的參數,對各層土體材料參數進行賦值,這一過程通過‘PROPERTY’命令實現。構建的三維模型,用于數值計算分析,見圖2。

圖2 三維計算模型

3.2 X 方向位移

隧道施工完成,運營中,隧道上部土體受荷載作用后,將發生位移變形,為了分析其在X 方向的變形特征,通過導出圖形的方式,將X 方向的變形位移云圖導出,如圖3 所示為隧道上部土體的X 方向位移云圖。而為深刻理解荷載正下方位置處,隧道上部土體的變形特征,導出了上部土體切片位移云圖,切片位置位于加載力的正中間的位置。

圖3 土體XX 方向整體位移云圖（單位：cm）

圖3 所示為土體XX 方向整體位移云圖,反映的是隧道上方土體的位移變化特征,根據圖例所表示的位移大小和云圖顏色,對位移變化進行規律探究,由圖3 得出,最大荷載端部位置的X 方向位移最大,最大值為8.9×10-2cm,而荷載加載位置正下方土體的X 方向位移為5×10-3cm；X 方向的較大位移集中分布于荷載端部位置,在荷載端部位置的X 方向位移變化速率約為1.5（量綱為1）,隨著靠近荷載加載位置,X方向位移變化速率逐漸增大,最大值約為15（量綱為1）。在集中荷載位置正下方土體XX 方向位置幾乎為0。

土體XX 方向切片位移云圖反映的是隧道上方荷載正中位置的土體位移變化特征,得出最大荷載端部位置的X 方向位移最大,最大值約為9×10-2cm,而荷載加載位置正下方土體的X 方向位移為6×10-3cm；X 方向的較大位移集中分布于荷載端部位置,在荷載端部位置的X 方向位移變化速率約為1.7（量綱為1）,隨著靠近荷載加載位置,X 方向位移變化速率逐漸增大,最大值約為13（量綱為1）。在集中荷載位置正下方土體XX 方向位移為5×10-3cm,幾乎為零值。

通過上述對土體XX 方向整體位移云圖的解析,可得,X方向最大位移位于荷載端部位置,而變化梯度較小,約為1.5；同樣的,通過對土體XX 方向的切片位移云圖分析可知,最大荷載端部位置的X 方向位移最大,變化梯度較小,約為1.7。

3.3 XX 方向應力

為了分析荷載作用下,上部土體的橫向方向的應力分布特點,以確定合理的加固措施,根據計算結果,導出了XX 方向的上部土體應力變化特征云圖。同時,為了分析荷載作用中心位置處的應力變化特征,導出了XX 方向切片應力變化云圖。

上覆土體的橫向XX 方向的整體應力變化云圖得出,最大荷載下部位置的X 方向應力最大,最大值約為3×102Pa,位于下方土體埋深約1m 處,荷載加載位置兩側土體的X 方向應力為1.3×102Pa；X 方向的較大應力集中分布于荷載正下方位置,在荷載兩側位置的X 方向應力變化速率約為0.25（量綱為1）,在荷載加載位置正下方,X 方向應力變化速率較大,約為0.85（量綱為1）。

根據上覆土體的橫向XX 方向的切片應力變化云圖,得出最大荷載下部位置的X 方向應力最大,最大值約為2.8×102Pa,且呈現出由表層向下部逐漸增大的趨勢,X 方向應力最大區域分布于隧道管片正上方,荷載加載位置兩側土體的X 方向應力為7.5×101Pa；X 方向的較大應力集中分布于荷載正下方位置,在荷載兩側位置的X 方向應力變化速率約為1.1（量綱為1）,在荷載加載位置正下方,X 方向應力變化速率較小,約為0.65（量綱為1）。

4 結論

（1）X 方向最大位移位于荷載端部位置,該區域位移變化梯度較小,約為1.5（量綱為1）；靠近荷載加載位置,X 方向位移變化速率逐漸增大,最大值約為13（量綱為1）。

（2）X 方向的大應力區集中于荷載正下方區域,兩側區域的X 方向應力變化速率約為1.1（量綱為1）,在荷載加載位置正下方,應力變化速率約為0.65（量綱為1）。

（3）實際隧道工程施工完成后,土體回填時應進行適當夯實,此外,建議采用高壓旋噴樁的加固方式對地表土體進行加固。