引水隧洞下穿對(duì)既有路塹邊坡位移影響研究

穆明垚

(北京市密云區(qū)水務(wù)局，北京 101500)

1 概 述

隨著地下工程的建設(shè)，引水隧洞得到廣泛應(yīng)用，對(duì)此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究[1]。顧博凱[2]采用數(shù)值模擬的方法，研究了雙拱隧道在施工時(shí)的變形與應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果表明，隧道拱底與右洞區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計(jì)施工方案能夠保證隧洞豎向位移滿足安全要求。楊楠等[3]采用有限元方法，分析了某引水隧洞內(nèi)某塌方處進(jìn)行治理與否條件下的應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果表明，隧洞塌方不會(huì)馬上造成隧洞破壞與山體失穩(wěn)，但建議采取適當(dāng)支護(hù)。安衛(wèi)龍[4]以某引水隧洞爆破實(shí)際情況為例，研究了引水隧洞中光面爆破的施工技術(shù)，分析了爆破工藝與爆破技術(shù)。結(jié)果表明，爆破過程中參數(shù)及工藝的選擇應(yīng)結(jié)合引水隧洞實(shí)際情況，并加強(qiáng)人員的監(jiān)測(cè)。李國(guó)玉[5]采用ABAQUS軟件，研究了不同水頭強(qiáng)度對(duì)襯砌和環(huán)向螺栓的影響。結(jié)果表明，管片變形由下到上逐漸增加，整體以壓應(yīng)力為主，且受體主要為隧洞圍巖。鄭明新等[6]采用Flac3d軟件，研究了雙洞隧道下穿對(duì)鐵路線路的影響，并模擬分析了路基加固與否兩種條件下的沉降變形。結(jié)果表明，兩隧洞中間位置出現(xiàn)最大沉降，是否進(jìn)行路基加固對(duì)沉降變形影響較大。劉方亮[7]采用2D軟件FEM，研究了3個(gè)數(shù)值單元的支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，隧洞質(zhì)量指數(shù)方法對(duì)于前兩個(gè)數(shù)值單元應(yīng)用較好，而巖體分級(jí)方法對(duì)第三種數(shù)值單元應(yīng)用較好。

綜合以上研究可以看出，目前對(duì)引水隧洞的數(shù)值模擬研究多停留在對(duì)其自身穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)措施方面，而引水隧洞下穿對(duì)既有邊坡變形的影響幾乎沒有。鑒于此，本文依托貴陽市某新建引水隧洞案例，采用Flac3d數(shù)值模擬軟件，研究新建隧洞下穿對(duì)既有路塹邊坡變形的影響。

2 工程概況

2.1 工程概況

新建引水隧洞穿越某公路路塹邊坡正下方，引水隧洞全長(zhǎng)100m，最大埋深約54m。公路左邊邊坡高26m，右側(cè)邊坡高32m，邊坡坡率為1∶1.25。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)自上而下依次分布有強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化砂巖和泥質(zhì)砂巖，巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。公路與隧洞布置情況見圖1。

表1 路塹邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 新建引水隧洞與路塹邊坡位置圖

2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

為研究修建引水隧洞整個(gè)過程對(duì)路塹邊坡的變形影響，將隧洞開挖分10步進(jìn)行，每步開挖10m。同時(shí),在路塹邊坡的左右坡腳處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的有效性。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 模型建立與選擇

根據(jù)該隧洞地勘報(bào)告資料及工程設(shè)計(jì)圖，確定模型的尺寸及引水隧洞的位置與大小，采用四面單元并結(jié)合犀牛軟件進(jìn)行建模，最后導(dǎo)入Flac3d軟件生成數(shù)值模型。模型尺寸為190m×100m×98m，模型共計(jì)32 546個(gè)單元和28 325個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb模型。

3.2 引水隧洞開挖對(duì)既有路塹邊坡整體位移的影響

圖2為新建引水隧洞后的路塹邊坡整體變形云圖。由圖2可知，隧洞整體呈現(xiàn)擠壓變形，頂部擠壓變形較大，整體呈現(xiàn)“條帶狀上凸型”，數(shù)值約為595mm，隧洞底部呈現(xiàn)回彈變形，數(shù)值約為345mm。路塹邊坡左側(cè)位移所受影響較小，主要原因是因?yàn)樽髠?cè)邊坡距離隧洞較遠(yuǎn)。而右側(cè)邊坡變形較大，整體呈現(xiàn)自坡頂?shù)狡履_位移逐漸減小的趨勢(shì)，位移范圍在38～210mm。

圖2 隧洞下穿對(duì)邊坡整體位移影響

3.3 引水隧洞開挖對(duì)既有路塹邊坡水平位移的影響

圖3為引水隧洞開挖結(jié)束后的邊坡水平位移云圖。由圖3可知，路塹右側(cè)邊坡水平位移呈現(xiàn)從坡頂?shù)狡履_位移逐漸減小的規(guī)律，坡頂最大水平位移約109mm，坡腳水平位移較小，僅有29mm；路塹左側(cè)邊坡水平位移基本為0mm。分析數(shù)值模擬結(jié)果可知，路塹左側(cè)邊坡由于距離引水隧洞較遠(yuǎn)，受隧洞開挖影響較小，基本不產(chǎn)生水平位移。而路塹右側(cè)邊坡受隧洞開挖影響較大，整體產(chǎn)生較大的水平位移，邊坡坡頂有較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。由圖3亦可知，引水隧洞開挖后，隧洞的最大水平位移處位于隧洞的左上、左下、右上和右下處，數(shù)值約為83mm，且位移云圖呈對(duì)稱分布。

圖3 引水隧洞開挖后邊坡水平位移云圖

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，在引水隧洞施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)路塹右側(cè)邊坡坡頂?shù)乃轿灰票O(jiān)測(cè)，防止坡頂出現(xiàn)破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)引水隧洞進(jìn)行支護(hù)措施。

3.4 引水隧洞開挖對(duì)既有路塹邊坡豎向位移的影響

圖4為引水隧洞開挖對(duì)既有邊坡豎向位移的影響。由圖4可知，路塹右側(cè)邊坡出現(xiàn)較大豎向沉降位移，整體呈現(xiàn)由坡頂?shù)狡履_位移逐漸減小的趨勢(shì)，坡頂最大沉降位移約為182mm，坡腳處沉降位移約為26mm。路塹左側(cè)邊坡整體沉降位移較小，坡角處沉降位移最大，約為4mm。由圖3亦可知，引水隧洞頂部出現(xiàn)較大沉降位移，數(shù)值約為400mm，隧洞底部出現(xiàn)較大上拱位移，數(shù)值約為100mm。

圖4 引水隧洞開挖后邊坡豎向位移云圖

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，引水隧洞開挖對(duì)路塹左側(cè)邊坡的位移較小，可以忽略對(duì)其產(chǎn)生的影響。路塹右側(cè)邊坡坡頂沉降位移較大，可適當(dāng)采用錨桿進(jìn)行加固，減小坡頂失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，應(yīng)在隧洞開挖時(shí)，及時(shí)對(duì)隧洞頂部及底部進(jìn)行支護(hù)，防止隧洞出現(xiàn)塌方。

3.5 右側(cè)邊坡位移隨開挖步數(shù)變化規(guī)律研究

圖5為路塹右側(cè)邊坡坡面水平變形受引水隧洞開挖影響的變化規(guī)律圖。不難看出，坡面距坡腳不同位置處的水平位移不同，距離坡頂越近，水平位移越大。同時(shí)，坡面水平位移隨開挖步數(shù)的增加而增大，且離坡頂越近，變形速率越大，遠(yuǎn)離坡頂處變形速率較小。坡面整體呈現(xiàn)位移先快速增加后趨近平緩的變化規(guī)律。

圖5 右側(cè)邊坡坡面水平位移圖

圖6為路塹右側(cè)邊坡坡面豎向變形受引水隧洞開挖影響的變化規(guī)律圖。由圖6可知，邊坡變形速率自坡頂至坡腳逐漸增加，原因是坡頂距離引水隧洞最遠(yuǎn)，隧洞開挖對(duì)坡頂?shù)挠绊戄^為滯后。但坡頂?shù)某两滴灰圃诘诹介_挖后開始快速增加，并最終達(dá)到128mm。因此，在隧洞開挖時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)坡腳、坡頂處水平和豎向位移監(jiān)測(cè)。

圖6 右側(cè)邊坡坡面豎向位移圖

3.6 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在兩側(cè)路塹邊坡坡腳處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖7為實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比圖。分析可知，坡腳處位移整體呈現(xiàn)先緩慢增加后快速增加最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。數(shù)值模擬的隧洞位移為28mm，較監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小4mm，兩者相對(duì)誤差為14%。產(chǎn)生誤差的原因可能是數(shù)值模擬忽略了巖體之間的裂隙以及地層所受的構(gòu)造應(yīng)力，而從數(shù)據(jù)上來看，本文數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相符，具有一定的有效性。

圖7 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文以某新建引水隧洞為研究對(duì)象，采用Flac3d有限元軟件，研究了隧洞下穿對(duì)既有路塹邊坡位移的影響，結(jié)論如下：

1)路塹左側(cè)邊坡受隧洞開挖影響較小，右側(cè)邊坡頂部受隧洞開挖影響較大，坡頂產(chǎn)生數(shù)值約為109mm的水平位移和182mm的豎向位移，坡腳處位移較小。實(shí)際工程中，應(yīng)加強(qiáng)坡頂處位移監(jiān)測(cè)，可適當(dāng)采用錨桿進(jìn)行邊坡加固。

2)引水隧洞開挖后，隧洞頂部和底部出現(xiàn)100和400mm的回彈變形和沉降變形，而在隧洞的左上、左下、右上和右下角出現(xiàn)最大水平位移。因此，在隧洞開挖過程中，應(yīng)及時(shí)施加襯砌，防止隧洞出現(xiàn)塌方破壞。

3)坡腳處位移整體呈現(xiàn)先緩慢增加后快速增加最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，兩者相對(duì)誤差約14%，表明本文分析方法具有一定的可行性。