邻近水库长隧道开挖施工数值模拟分析*

陈小江

(厦门中平公路勘察设计院有限公司，福建 厦门 361008)

1 工程概况

厦门市海沧货运通道(马青路—疏港通道段)工程海新3号隧道是1座双向6车道分离式隧道，洞径宽14.8m，洞高7.6m，等价圆直径11.2m。隧道左线全长1 205m，纵坡-1.01%；隧道右线全长1 246m，纵坡-1.04%。隧道进、出口段为残积砂质黏土，属于浅埋隧道，其余为深埋岩质隧道，围岩地层为块状中风化花岗岩。在隧道左线西侧约95m处有1座水库，由于水库蓄水时水面标高高出隧道拱顶标高20m，因此水库对隧道开挖存在一定影响。目前，关于邻近水库隧道的研究较少，难以估计水库影响程度，为此，本文通过开展有限元数值模拟分析，对邻近水库的影响进行研究，以期为地下水排放控制等相关研究提供参考。

2 有限元分析

通过有限元数值模拟分析，可计算建成后隧道围岩稳定性及各施工阶段变形、受力情况，因此有限元法在土木工程领域得到广泛应用。有限元模拟隧道开挖过程的一般步骤可参考江学良等的研究。

2.1 模型建立

2.1.1基本假定

在实际施工场地中，各类条件均相当复杂，完全按照实际情况进行模拟难以实现，且工作量大。为减少部分工作量，作以下假定：①假定隧道围岩及其上覆土层全部为各向同性均质体；②假定该邻近水库隧道初始应力场仅考虑自重应力作用；③假定所有变形均是一步到位，不考虑变形时效性；④假定隧道围岩为弹塑性岩体，即胡克定律适用；⑤采用莫尔-库仑理想弹塑性模型。

2.1.2开挖方案

在隧道开挖过程中选择开挖方式时，主要根据隧址区围岩强度等级和具体地质情况而定。本次模拟隧道段围岩属于Ⅳ级围岩，级别较低，隧道穿越破裂状中风化花岗岩层，距离上覆散体状强风化花岗岩较近，开挖过程中易出现围岩失稳，因此选用CD法(中隔墙法)施工。CD法施工工序为：①开挖隧道左侧上部，在中隔墙处施作临时支撑；②开挖隧道左侧中部，在中隔墙处施作临时支撑；③开挖隧道右侧上部，在中隔墙处施作临时支撑；④开挖隧道右侧中部，在中隔墙处施作临时支撑；⑤开挖隧道左侧下部；⑥开挖隧道右侧下部。上、下台阶相距为5～7m，每阶台阶进尺为1～2倍洞径。

2.1.3物理参数确定

根据钻探资料得知，隧道邻近水库段涉及的岩土层包括粉质黏土、散体状强风化花岗岩、强风化花岗岩、破裂状中风化花岗岩及微风化花岗岩，岩土层物理力学参数根据相关力学试验结果等取值，如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

2.1.4有限元模型

由于隧道纵向尺寸远大于横向尺寸，属于细长结构物，因此假定围岩在荷载作用下仅发生横向位移，未发生纵向位移。模型尺寸越大，计算结果精度越高，适用性越好，但计算耗费的时间越长。已有相关理论分析和工程实践表明，隧道开挖后的应力、应变仅在隧洞周围距洞顶中心3～5倍宽度或高度范围内存在影响，且在3倍宽度处的应力、应变一般在10%以下，在5倍宽度处一般为3%。因此，影响围岩变形的范围为3～5倍半径。在本次有限元数值模拟计算中，隧道开挖半径为7.8m，隧道结构断面如图1所示。

图1 隧道结构断面(单位：cm)

由于在隧道附近存在雷公山水库，因此模拟时将隧道左侧水库以内的范围考虑在内，上覆层按实际情况进行简化模拟，隧道右侧和下部按3～5倍洞径影响范围取值。隧道数值模拟分析模型及网格划分如图2，3所示。

图2 三维几何模型

图3 网格划分

2.2 结果分析

2.2.1围岩位移

隧道在开挖过程中可能引起围岩位移发生变化，通常表现为岩体沉降。在隧道开挖数值模拟中，可得到每个开挖阶段围岩总位移、径向(x向)位移、轴向(y向)位移及竖向(z向)位移变化量。雷公山水库蓄水前、后隧道开挖后围岩最大位移如表2所示。

表2 隧道开挖后围岩最大位移 mm

由表2可知，水库蓄水后，隧道开挖后的围岩最大总位移由水库蓄水前的8.467mm增至9.073mm，增大了7.16%；径向(x向)最大位移由水库蓄水前的5.577mm增至7.560mm，增大了35.56%；轴向(y向)最大位移由水库蓄水前的0.327mm增至0.577mm，增大了76.45%；竖向(z向)最大位移由水库蓄水前的8.329mm增至8.924mm，增大了7.14%。

为更好地分析水库蓄水对隧道开挖后围岩位移的影响，选取10个点作为研究对象，分别位于同截面的左、右隧道两侧拱脚、两侧拱腰和拱顶处。计算结果表明，隧道围岩轴向(y向)位移在水库蓄水前、后均较小，最大位移仅为0.072mm，因此本文不做讨论。

计算得到雷公山水库蓄水前、后隧道围岩位移曲线如图4所示。

图4 隧道围岩位移曲线

由图4a可知，对于邻近水库的左线隧道而言，无论水库是否蓄水，从两侧拱脚到两侧拱腰再到拱顶，隧道开挖后的总位移均有逐渐增大的趋势。与水库未蓄水时相比，水库蓄水时除邻近水库的研究点(左拱脚、左拱腰和拱顶)位移变化较小外，远离水库的研究点(右拱脚和右拱腰)位移明显增大。其中，右拱脚位移由蓄水前的1.097mm增至蓄水后的2.044mm，增幅达86.33%；右拱腰位移由蓄水前的5.121mm增至蓄水后的6.414mm，增幅达25.25%。

由图4b可知，拱顶位移由蓄水前的7.387mm降至蓄水后的5.146mm，减小了30.34%；其余位置研究点在水库蓄水前、后的位移变化较小，几乎可忽略不计。

图4c中位移差值负值表示水库蓄水后隧道开挖引起的围岩位移与较蓄水前减小。由图4c可知，相比水库蓄水前，左线隧道研究点位移均有所减小，其中拱顶位移减小幅度最大，减小了1.184mm；对于右线隧道，水库蓄水后左拱脚、右拱脚、右拱腰位移减小，左拱腰、拱顶位移增大，但变化幅度较小。

由图4d可知，水库蓄水后，对于邻近水库的左线隧道，左拱脚、左拱腰处围岩竖向(z向)位移变化较小，其余位置研究点位移变化较大；对于远离水库的右线隧道，左拱脚、右拱腰处围岩竖向(z向)位移减小，其余位置研究点围岩竖向(z向)位移增大，增大了2.244mm。

2.2.2围岩应力

围岩应力是评价围岩稳定性的重要指标之一。在隧道开挖过程中，一旦围岩应力超过其承载极限，围岩会开裂甚至坍塌。由于水库中储存的水会在地下流失，在流失路径上的岩体会被软化，进而降低岩体强度。因此，水库蓄水后会对隧道开挖后的围岩应力产生影响。为更好地了解水库蓄水对隧道围岩应力的影响，同样选取位于同截面的左、右隧道两侧拱脚、两侧拱腰和拱顶处10个点作为研究对象，分析水库蓄水前、后隧道开挖后围岩应力变化比，结果如图5所示。

图5 围岩应力变化比曲线

计算结果表明，无论水库蓄水与否，拱脚处围岩总应力最大，拱腰处次之，拱顶处最小。从变化幅度来看，由图5a可知，左线隧道右拱脚、右拱腰和拱顶总应力均发生了显著变化，其余位置研究点总应力变化幅度较小。其中右拱脚增大了1 447.290kPa，增幅为135.55%；右拱腰增大了265.706kPa，增幅为79.03%；拱顶增大了119.120kPa，增幅为55.51%。右线隧道右拱脚和拱顶处围岩总应力变化较明显，其中右拱脚增大了162.97kPa，增幅为15.05%；拱顶减小了89.086kPa，减幅为27.29%。因此，在注浆和衬砌施工过程中，需特别注意应力变化较大的部位，防止不必要的事故发生。

由图5b～5e可知，水库蓄水后，右线隧道各研究点径向(x向)、轴向(y向)、竖向(z向)、剪切应力变化幅度较小。水库蓄水后，左线隧道右拱脚、右拱腰、拱顶处径向(x向)应力变化幅度较大，其余位置研究点应力变化幅度较小；右拱脚、左拱腰、拱顶轴向(y向)应力变化幅度较大，其余位置研究点应力变化幅度较小；右拱脚、右拱腰、拱顶处竖向(z向)应力变化幅度较大，其余位置研究点应力变化幅度较小；右拱脚、右拱腰、拱顶处剪切应力变化幅度较大，其余位置研究点应力变化幅度较小。

2.2.3围岩稳定性

如果围岩压力太小，隧道处于松弛状态时易坍塌，因拱结构压应力对结构有利，因此需分析结构最小压应力点，因该点很可能不稳定，通过对比该点拉应力与试验中岩石拉伸断裂破坏时的应力分析其稳定性，但压应力不是越大越好，当压应力增至一定程度时，可能发生压缩破坏，因此最大压应力点也可能是不稳定的。

计算得到隧道围岩研究点破坏应力如表3所示。水库蓄水前，围岩最大应力发生在左线隧道右拱脚处，最小应力发生在左线隧道拱顶附近。就水库蓄水前应力最大处而言，岩石破坏时的有效总应力σ0=2.335MPa，而最大主应力σ1=112.923MPa，可知该点稳定。无论水库蓄水与否，各研究点破坏应力均较所承受的应力大，因此可断定隧道开挖后围岩较稳定，不会发生破坏。

表3 隧道围岩研究点破坏应力 MPa

3 渗流分析

渗流指流体通过多孔介质的流动，在隧道渗流分析中，流体一般特指水流，因围岩多孔介质尺寸和形状过于复杂，介质间的孔隙尺寸存在差别，此外，因某些多孔介质中存在亲水性物质，对水具有吸附作用，故水流质点在其中的运动不连续，且运动规律难以描述，为方便对渗流问题进行分析，目前应用较广泛的方法包括理论解析法、试验模拟法、水力图解法和数值模拟法。

渗流分析的主要任务包括确定浸润线位置、渗透坡降、渗透流量和渗透流速分布，由于对隧道地下水允许排放量影响最大的为渗透流量，因此本文仅分析雷公山水库对海新3号隧道渗流流量的影响。进行渗流模拟分析时，需作以下理论假设：①任意断面上水头和压力分布与真实流体相同；②模拟流体流动过程中所受阻力与真实流体所受阻力相同；③通过任意截面的流量与真实流体通过该截面的流量相同。

海新3号隧道渗流来源主要考虑附近水库水体渗流，分析隧道开挖完成后附近水库水体是否渗入隧道，进而确定地下水允许排放量。雷公山水库距隧道仅95m，水库蓄水后水面标高较隧道拱顶高出20m。因此，仅凭经验无法确定水库水体是否渗入隧道，也无法确定水体渗入量，因此无法确定最终的允许排放量。考虑围岩物理力学参数及其渗透性，建立了海新3号隧道渗透模型。

水库蓄水后，隧道开挖一旦完成，其周围形成的开挖面即为渗流面，当水渗透到该渗流面，会从此处渗流而出。节点渗流云图如图6所示，由图6可知，水库周围水体渗流量较大，其余位置渗流量较小。左、右线隧道周围水体渗流量基本为0，表明水库中的水不能通过地下渗流至隧道内，不会影响隧道地下水允许排放量的确定。

图6 节点渗流云图(单位：m·s-1)

4 结语

本文利用有限元软件MIDAS/GTS对厦门市海沧货运通道(马青路—疏港通道段)工程海新3号隧道进行数值模拟分析，研究邻近水库对长隧道的影响，为后续分析地下水排放及控制提供了参考。

1)隧道开挖后围岩位移一定程度上受邻近水库蓄水的影响。水库蓄水前围岩最大总位移为8.467mm，蓄水后增至9.073mm，增幅为7.16%。水库蓄水后，对于左线隧道，远离水库的研究点(右拱脚和右拱腰)总位移明显增大，其中，右拱脚总位移增幅达86.33%，右拱腰总位移增幅达25.25%；对于右线隧道，拱顶总位移减幅达30.34%，其余位置总位移变化较小，几乎可忽略不计。

2)隧道开挖后围岩应力受邻近水库蓄水的影响较大。水库蓄水后，左线隧道右拱脚、右拱腰和拱顶总应力均发生了显著变化，其中右拱脚总应力增幅为135.55%，右拱腰总应力增幅为79.03%，拱顶总应力增幅为55.51%。右线隧道右拱脚和拱顶处围岩总应力变化较明显，其中右拱脚总应力增幅为15.05%，拱顶总应力减幅为27.29%。在注浆和衬砌施工过程中，需特别注意应力变化较大的部位，防止不必要的事故发生。

3)围岩稳定性分析结果表明，无论水库蓄水与否，各研究点破坏应力均较所承受的应力大，因此可断定隧道开挖后围岩较稳定，不会发生破坏。

4)隧道渗流分析结果表明，水库周围水体渗流量较大，其余位置渗流量较小。左、右线隧道周围水体渗流量基本为0，可知水库中的水不能通过地下渗流至隧道内，不会影响隧道地下水允许排放量的确定。