引水隧洞围岩稳定性数值模拟分析

2022-09-27刘克文隋玉明

陕西水利 2022年10期

刘克文，隋玉明

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东中山 528403）

1 引言

由于长距离大流量引水调度的需要,在引水工程需要跨越山区时,受工程的选线往往由工程所在地的地形、地质地貌条件、对生态环境的保护以及土地征用等多重因素的影响与制约,在此情况下分离式隧洞也就应运而生[1-2]。而分离式隧洞相较于单线隧洞而言,具有引水流量大,稳定性好的特点[3]。研究分离式隧道施工过程中围岩的应力、变形对保障施工的安全进行具有重要的意义[4]。

众多学者对分离式隧洞围岩稳定性做了大量的研究。在欧美及日本等地下工程施工技术较为发达的国家,自70年代就对分离式隧洞开展了相关地研究。日本的铁道技术学会发表了《关于平行隧道研究的报告》,在报告中提出可将分离式隧道中心的围岩视为完全弹性体。杨文献等[5]采用有限单元法研究了不同侧压力系数下,分离式隧洞在不同开挖部下左右洞对中间围岩稳定性影响程度,通过现场原位测试数据验证了数值模拟的正确性。经过模拟和实测结果表明,相邻隧道施工扰动对中间围岩的影响随侧压力系数的增大而增大。本文依托某山区引水隧洞工程为例,采用有限单元法软件Flac 3D研究了分离式隧洞分部开挖围岩竖向围岩分布规律。

2 工程概况

2.1 工程设计情况

本隧洞为南水北调西部重要线路,位于山岭地区。设隧道轮廓面为卵形隧道,其设计横断面见图1。隧洞区地下水埋藏较深,洞室范围内无地下水分布。地表水由大气补给,水文地质条件较简单。本隧洞所处地质条件较差,大部分为Ⅴ围岩,自稳性较弱,对初期支护的要求较高。由于围岩稳定性较差,所以不能一次开挖,根据工程情况采用上下台阶的方法。在开挖过程中,先开挖两隧洞拱顶部分,再开挖下侧。

图1 分离式隧道横断面尺寸图（单位：cm）

2.2 数值模拟方法

本次计算区域为横向140 m,竖向64 m。即左右两侧计算边界为四倍左右隧洞总跨度,下部边界为2 倍左右隧洞总高度。输入的材料参数列于表中。围岩采用库仑摩尔模型模拟,具体模型参数见表1。

表1 模型参数表

为更为真实地模拟实际工况开挖施工过程中分离式隧洞围岩竖向变形分布规律。本文所处的Ⅴ级围岩隧洞采用上下台阶法施工,因此施工过程的数值模拟过程包含以下几步,分别为：（1）建立模型网格。（2）自重应力场模拟分析。（3）开挖两隧道上台阶,部分土体计算。（4）开挖两隧道下台阶,部分土地计算。（5）计算结果分析。

2.3 计算模型建立

本文计算工况围岩模型的宽为140 m,埋深为64 m,而可将隧洞视为平面应变问题,可以取隧洞长度方向的单位长度进行模拟。因此可将分离式隧洞计算模型设置成长×宽×高为140 m×1 m×60 m的立方体。依据图1建立的有限元计算模型见图2。

图2 分离式隧洞有限元计算模型

3 数值模拟结果分析

3.1 周边地层应力变化分析

图3为在自重作用下,计算平衡时围岩整体竖向位移云图。

图3 自重应力场作用下的竖向位移（单位：m）

由图3可以看出,在自重应力作用下,围岩的竖向变形成层状分布,这是由于在有限元单元法软件建模过程中,围岩可视为均质的、各相异性的连续性介质。且随着埋深的增大,围岩的竖向变形相应地也就越大。由图3 可知,在深度为60 m处围岩的平均沉降量可忽略不计；而在距离地表附近处,岩体的沉降量最大,达到12.7 mm,这是由于自重应力作用下个层围岩位移累计沉降作用而导致的。

3.2 不同开挖部围岩位移分布云图

3.2.1 隧洞上部开挖后竖向位移云图

由上文可知,本文所依托的工程所处的围岩地质条件较差,大部分为裂隙较为发育、且围岩强度较低的Ⅴ级围岩,因此围岩的自稳能力相对较弱。若采用全断面开挖,则在施工过程中围岩容易发生失稳破坏。因此本文采用台阶法施工,图4 为隧洞上台阶开挖后围岩竖向位移云图。

图4 隧洞上部开挖后垂直位移云图（单位：m）

由图4可以看出,在隧洞上台阶开挖后,围岩发生应力重分布。由于在上部开挖后,围岩所受的扰动较小,左、右隧洞轮廓面附近围岩的竖向位移分布较为均匀,两侧隧洞的竖向变形分布在6 mm～8 mm区间内,且左、右行隧洞围岩竖向应力大小与分布规律基本相似。但由于开挖作用,使得地表发生了不均匀的沉降,在隧洞的正上方的地面沉降量为12 mm,而在地表两侧地面的沉降量减小到1.15 mm。

3.2.2 隧洞上部开挖后竖向位移云图

本文依托工程所处的围岩为 Ⅴ 级围岩,围岩的稳定性较差,因而采用上下台阶开挖法进行施工,图5 为下台阶开挖后围岩的竖向位移云图。

图5 隧洞下部开挖后垂直位移云图（单位：m）

由图5可以看出,在隧洞下台阶开挖后,由于开挖扰动较大,此时隧洞的拱顶与拱底的竖向变形量均较大。隧洞两侧隧道的边墙部分竖向变形量均收敛。由于上部荷载为均布荷载,且围岩为完整的、均质的、各向同性的连续介质,因此两侧隧洞拱顶与拱底处竖向位移的数值大小与分布规律均相同。在隧洞拱顶部分出现最多沉降量,隧洞最大沉降量为2 mm～2.25 mm。距离拱顶越远的拱肩部分,围岩的沉降量基本为。隧洞最大隆起值出现在隧道的拱底中心处,且隧洞最大隆起值为1.32 mm～1 mm。