循環開挖下的水工隧道成洞質量數值研究

孫顯聰

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311100)

0 引 言

水工隧道按其作用方式分為有壓水工隧道和無壓水工隧道兩種，集發電、通航、輸水等功能為一體，是水利樞紐的重要組成部分[1-2]。水工隧道的修建雖然在完善水利樞紐功能、提供社會便利方面上起到不可或缺的作用，但在施工過程中存在的問題仍然需要引起重視[3]。如在小斷面水工隧道施工工程中，由于施工技術要求較為嚴格，以及需要考慮地基沉降等多種內外部因素，加之水工隧道本身在復雜環境中危險性較高，因此往往導致水工隧道出現沉降、變形甚至坍塌等現象[4]。尤其在土質、巖質承載能力較弱或水下區域受力較為復雜的區域，由于土質、巖質較為松散，在水工隧道開挖施工中往往難以進行有效開挖以及隧道的支護。因此，只有在開挖前對其所在區域的地質、巖體類別、最大承載力等關鍵參數進行準確設計，才能避免對水工隧道施工產生的影響[5]。但在實際工程中，由于不同地域地質環境、巖體類別等不同，往往導致實際過程中針對水工隧道開挖支護的參數設計在浪費大量人力物力的同時，其實際應用效果得不到保證。

為此，許多學者通過數值分析方法對水工隧道進行研究。如李燕波[6]針對新疆某引水隧道，采用ANSYS建立熱-固耦合模型，并對伴有高溫熱害的隧道結構受力特征進行分析，發現通過在圍巖與混凝土之間設置隔熱層能夠有效避免結構因受熱發生的變形，來滿足工程對安全性的要求。卞康[7]在連續介質理論及彈性損傷理論的基礎上，提出一種可以應用于高壓水工隧道估算滲水量的方法，并通過該方法建立的模型與高壓隧道的實際監測數據進行對比，發現隧道的滲水量與襯砌裂縫開度存在一定的相關性，且在隧道尚未形成明顯滲漏通道的情況下，研究結果與實測結果相關性較高。雖然上述研究針對水工隧道的施工穩定性進行了大量論證，但鮮有研究涉及具體開挖過程中的支護參數設計等方面。

本文以某地實際工程中的隧道某標段為研究對象，采用三維有限元模擬軟件FLAC3，對該隧道在不同開挖循環周期下的擾動和沉降位移等參數進行研究分析，為實際工程中水工隧道的支護設計與質量把控提供一定的理論參考依據。

1 工程概況

本文研究的水工隧道位于某市東北部，該水工隧道屬于水庫A，水庫所在區域屬于亞熱帶季風濕潤氣候，全年降雨量較為充沛。其中，水庫控制的徑流面積18.83km2，2018-2021年監測到的平均徑流量為425.9×104m3。該水庫所在壩區的河流流域面積為19.2 km2，其中主河道全長5.99km，各支流的河道平均坡度為0.52%。流域區域總體呈扇形分布，其中流域所在區域最高海拔為2198m，最低海拔為水庫所在區域的1 424m。根據當地氣象局2018-2021年的資料顯示，庫區每年最高氣溫在7-9月份，溫度30℃～35℃；3年間每年最低氣溫主要集中在11月份至次年1月份，溫度5℃～10℃。該水工隧道全長為1 860.5m，本文主要研究該水工隧道的DM5+400.8～DS5+751.3標段。

水工隧道所在庫區地質構造較為豐富，地形較為復雜，地表完整，基巖裸露于地表之上。其中，位于隧道頂端的巖體厚度為8～16m，地質構成主要為白堊系上統江底黃褐色粉砂巖段，主要包含黃褐色泥巖、黃褐色粉砂泥巖、黃灰色以及灰綠色泥巖石英砂巖與泥灰巖、泥質粉砂巖。隧道所在區域巖層傾角較小，為22°～32°。水工隧道的輸水隧道位于水庫A左岸的上游，距離主壩區166.4m。隧道的進出口部分巖體較為穩定，未發現有滑坡、崩塌等不良地質現象。但在隧道外部裸露與地表的巖體表現為強風化特征，總體完整性較差，節理裂隙中未發現其他填充物，該標段的地表裸露巖體差異性風化較為顯著，屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

2 研究方法

2.1 模型建立

本文利用三維有限元模擬軟件FLAC3D，在結合具體工況的情況下對隧道計算模型進行建模，模型地基尺寸選取60m×50m×50m。在該尺寸下，邊界范圍控制在引水隧道高度的5倍，可有效控制邊界效應影響效果。模型共包含35 548個節點與186 564個單元，其中位于水工隧道上方的巖體厚度控制在4.5m，隧道直徑設置為3m，隧道上方風化層厚度設置為2.5m，隧道內部的襯砌厚度設定為0.3m，隧道內部襯砌每立方米質量為2 500kg，楊氏模量設為3.2×104MPa。隧道的開挖掘進方式為循環開挖模式，其工況共分為25步進行模擬，循環開挖過程中進尺為1.5m，在總體工況下的循環開挖中，每次循環之后需要對隧道內部的巖體弱化值進行計算。隧道三維計算模型見圖1。

圖1 隧道三維計算模型

2.2 各參數值確定

隧道上方各巖體類型及設置的物理參數見表1。

表1 各巖體類型及設置的物理參數指標

2.3 ALE模擬算法

針對水工隧道的開挖與支護，為了避免單元出現畸形現象而導致的計算停止等問題，本文采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)法對其進行求解，該方法對各巖層之間力的耦合動態研究具有較好效果。針對ALE法，首先需要確定方程，進行顯示Lagrangian計算；其次，通過顯示Lagrangian進行迭代計算，分解其初始值與分量；最后對模型進行重新網格劃分，求解并確定各網格之間的分量大小?；贏LE構建方程，由Gauss定理以及非連續介質理論，可以確定t時刻對應的物理量積分計算式為：

(1)

式中：ξ為參考線；Ωξ為物質的點體積；ɡ(ξ，t)為t時刻對應的物理量。

而在t時刻的Euler坐標系下的物理量積分計算式表示為：

(2)

式中：x為參考線；Ωx為物質的點體積；ɡ(x，t)為t時刻對應的物理量。

在式(1)和式(2)計算過程中，兩式之中的物質點體積Ωξ、Ωx會隨著時間的變化而發生變化。因此上述兩式可表示為：

(3)

(4)

3 結果分析

3.1 隧道沉降分析

由于將工況分為25步進行模擬，若逐步分析工作量巨大。因此，本文選取具有代表性的第15步和第25步工況進行分析，其中第25步工況代表開挖完成時的工況?；诖藘煞N工況，針對隧道中的擾動層及襯砌的相關變化，對擾動層和襯砌在強參數和弱參數下的沉降及應力變化特征進行總結分析。首先針對擾動層及隧道的沉降進行分析，本文選取開挖至第15步工況時的擾動層強參數及弱參數下的沉降變化數據，并繪制出開挖至第15步工況時的不同參數下擾動層沉降曲線。見圖2。

圖2 開挖至第15步工況時的不同參數下擾動層沉降曲線

由圖2可知，以隆起值變化特征來看，隨著黏聚力的增大，沉降隆起值會隨之減小，且在隧道道口附近時沉降隆起值降幅為最低。對比巖體不同參數可知，弱參數值下，隧道沉降位移普遍偏高，在巖體強度參數值提升后，在強參數下擾動層的沉降會逐漸減小。該結果表明，在實際水工隧道開挖過程中，巖體強度較弱時，在開挖面應進行支護措施和工作面的封閉施工。

為了完整考慮隧道在施工過程中的擾動層及沉降變化特征，還需對開挖完成時的隧道擾動層沉降位移進行分析。因此，本文選取完成時(第25步工況)的隧道巖體擾動層強參數及弱參數下的沉降變化數據，并繪制出開挖完成時的不同參數下擾動層沉降曲線。見圖3。

圖3 開挖完成時的不同參數下擾動層沉降曲線

從圖3中可以看出，同開挖至第15步工況時的變化特征類似。在對比巖體不同參數可知，弱參數值下，隧道沉降位移普遍偏高；在巖體強度參數值提升后，在強參數下擾動層的隆起值會逐漸減小，但隨著距隧道洞口距離越遠，不同參數值下的沉降位移會逐漸接近，區別逐漸不顯著。

3.2 隧道襯砌的應力分析

為了探究隧道沉降的內在機理，需要針對擾動層及隧道襯砌的應力變化進行分析。本文選取開挖至第15步工況時的擾動層及隧道襯砌在強參數及弱參數下的應力變化數據，并繪制出開挖至第15步工況時的不同參數下擾動層及襯砌應力變化曲線。見圖4。

從圖4中可以看出，隨著距隧道洞口距離的增加，不同參數下的壓應力呈現出增長的趨勢，但增長幅度較小，而拉應力呈現出降低的趨勢，整體降幅相較于壓應力較大。對比同一應力下的強弱參數變化特征可以發現，在弱參數下，拉壓應力均處在較大水平；而在參數得到加強后，應力水平均大幅降低，且拉應力最為顯著。該現象表明，在巖體強度較差的地段，發生坍塌概率較大。因此，在巖體強度較差的地段需及時進行支護，保障后續施工。

圖4 開挖至第15步工況時的不同參數下擾動層及襯砌應力變化曲線

為了對開挖完成時的擾動層及襯砌應力變化進行分析，本文選取完成時(第25步工況)的擾動層及襯砌在強參數及弱參數下的應力變化數據，并繪制出開挖完成時的不同參數下擾動層及襯砌應力變化曲線。見圖5。

圖5 開挖完成時的不同參數下擾動層及襯砌應力變化曲線

從圖5中可以看出，隨著距隧道洞口的距離增加與參數值的增強，相較于壓應力，拉應力的總體減小幅度更大，且隨著參數值的弱化，會導致巖體周圍出現應力集中的現象。因此，該區間段的巖體出現沉降坍塌的可能性較大。

4 結 論

本文以某地實際工程中的隧道某標段為研究對象，采用三維有限元模擬軟件FLAC3D，對該隧道在不同開挖循環周期下的沉降位移及應力等參數進行研究，并通過對第15步及第25步工況下的沉降及應力變化趨勢進行分析。結論如下：

1)在開挖至第15步工況時，弱參數值下，隧道沉降位移普遍偏高；在巖體強度參數值提升后，在強參數下，擾動層及隧道的沉降量會逐漸減小。

2)開挖至第15步工況時，不同參數下的壓應力呈現出增長的趨勢，但增長幅度較?。欢瓚Τ尸F出降低的趨勢，整體降幅相較于壓應力較大，且在弱參數下，拉壓應力均處在較大水平；而在參數得到加強后，應力水平均大幅降低，且拉應力最為顯著。

3)在實際水工隧道開挖過程中，針對巖體物理性質較差的地段，在開挖面必須采取支護措施和工作面的封閉施工。