引水隧洞加固条件下的围岩稳定性研究

邓智彬

（东莞市横沥镇工程建设中心,广东 东莞 523000）

1 引言

引水隧洞可以解决区域水资源不均衡问题,由于调水量大,单个隧洞不能满足要求时,通常可以设计双隧洞引水[1]。而在分离式引水隧洞的施工过程中,若支护不及时或施工操作不当,极易导致中心岩柱发生失稳破坏[2]。中心岩柱的破坏会导致周围岩土体发生扰动并引起地层产生不均匀沉降,甚至导致隧洞或者地表发生坍塌、塌陷等施工,对社会的经济安全造成严重的不良影响[3]。因此,开展隧洞围岩稳定性的研究对隧洞施工技术的安全应用具有重要的指导意义[4]。

为进一步了解,国内外众多学者开展了相关的研究。历广广等[5]研究了围岩的偏压率与分离式引水隧洞间距之间的关系,确定了不同偏压率下分离式引水隧洞的最小间距。万明富等[6]提出当分离式引水隧洞间距较小时,分离式引水隧洞开挖施工过程中,靠近岩柱两侧支护结构的应力最大,且中间夹岩上方岩层最易发生破坏。

本文依托某引水隧洞开展研究,利用三维有限单元软件对软弱地层下引水隧洞上台阶开挖后围岩的稳定性进行数值模拟分析,研究了下台阶开挖后以及二次衬砌施加后围岩的位移场分布规律,本文的研究成果对软弱隧洞围岩稳定性的控制具有重要的工程意义。

2 工程概况与模型建立

2.1 工程概况

本文依托某引水隧洞开展研究,采用分离式设计。根据现场的监测数据可知,该引水隧洞所处的岩层为IV 级围岩,其围岩的力学参数见表1,引水隧洞的平面位置图见图1。

表1 围岩的力学参数

图1 单洞双向分离式引水隧洞平面位置图

2.2 计算模型的建立

采用三维有限单元法软件（FLAC 3D）进行模拟计算,假定所模拟的围岩均为理想的弹塑性体,在计算过程中采用摩尔-库伦强度准则。分离式引水隧洞的净距为30 m,大于3倍洞径,因而不考虑作用隧洞之间的相互影响。考虑到边界效应对模拟计算结果的影响,以及提高计算效率,所建模型的尺寸为 140 m×80 m×1 m。本文引水隧洞最大埋深为450 m,模型的上覆岩层厚310 m,因而在上边界施加6 MPa 的初始地应力,对隧洞模型的其余边界施加固定边界。其衬砌结构的力学参数见表2,隧洞的FLAC 模型见图2。

图2 分离式引水隧洞计算模型图（单位：m）

表2 支护结构的力学参数

3 隧洞数值模拟结果分析

3.1 衬砌结构的最大主应力、最小主应力分布规律

在软弱地层进行开挖会导致地面发生不均匀沉降,造成地面建构筑物产生开裂、破坏,因此在开挖过程中需要及时进行支护加固处理[12]。图3 和图4 为分离式引水隧洞二次衬砌后围岩的支护结构的最大主应力与最小主应力云图。

图3 支护结构最小主应力云图（单位：Pa）

图4 支护结构最大主应力云图（单位：Pa）

在FLAC 软件计算过程中,应力值为负值表示单元体处于受压状态,而应力值为正值表示单元体处于受拉状态。由图3 可以看出,当上台阶开挖进行支护后,支护结构均处于单向受拉状态,其中在引水隧洞的拱顶部分支护结构的拉应力最大,最大值为0.65 MPa,而在引水隧洞的下台阶部分也出现了较大的拉应力,其拉应力值为0.85 MPa。

由图4 可以看出,在进行二次衬砌之后,支护结构出现了较大的主应力,其拱腰部分的支护结构所受的最大主应力高达5.43 MPa,其拱顶部分最大主应力为2.51 MPa。由此可见,当开挖后及时进行二次衬砌之后,支护结构承受了较大的应力,围岩的整体变形量均较小,显著地提高了围岩的稳定性。

3.2 下台阶开挖后围岩应力、位移分布规律

由上述研究可知,当隧洞开挖后会对围岩产生极大的扰动作用,特别是在较为软弱的地层中进行开挖施工,极有可能导致围岩发生失稳现象,因此研究隧洞施工开挖过程中围岩的位移、变形分布规律,对预测围岩的失稳可能性、保障围岩的稳定性具有重要的工程意义。

图5 为隧洞完全开挖后岩层的竖向应力云图。由图5 可知,在引水隧洞开挖后,最大竖向应力分布在隧洞的左右拱腰处,且最大水平应力方向均向左,为1.04 Pa。随着埋深的增大（距离引水隧洞拱底12 m 处）,水平应力随着埋深的增大而增大,并且呈层状分布。由图5 和图6 可知,当隧洞的间距过大（大于3 倍洞径）时,地层的应力、位移云图均关于中轴线对称。

图5 下台阶开挖后竖向应力云图（单位：Pa）

图6 下台阶开挖后竖向位移云图（单位：m）

图6 为下台阶开挖后围岩的竖向位移云图,由图6 可以看出当下台阶开挖后,隧洞左右洞的最大竖向位移分布在洞室的拱顶与拱底处。且最大的沉降量为1.62 mm,最大的隆起量为1.73 mm。其在隧洞的上下拱底处竖向位移分布范围较大,在距离隧洞拱底与洞顶约12 m 处,引水隧洞围岩仍具有较大的竖向位移,见表3。在拱底12 m 以外,围岩的竖向变形随着距离隧洞轮廓面的增大而减小,其竖向变形分布在0.5 mm～0.6 mm 区间内。且隧洞的拱顶沉降量在各个时刻均大于拱底的隆起量。

表3 下台阶开挖后引水隧洞拱顶、拱底位移值

4 结论

本文依托某引水隧洞开展研究,利用三维有限单元软件对软弱地层下隧洞下台阶开挖后围岩的稳定性进行数值模拟分析,得到了如下结论：

（1）当单线双向分离式引水隧洞下台阶开挖后,在未进行二次衬砌加固措施时,岩土体的表层产生了显著的不均匀沉降。

（2）在下部台阶开挖后,围岩的拱顶与拱底部分位移还未调整,其双线引水隧洞围岩的竖向变形均在1.07 mm～1.75 mm区间内。

（3）在进行二次衬砌之后,拱腰部分的支护结构所受的最大主应力高达5.43 MPa,拱顶部分最大主应力为2.51 MPa。

（4）在拱底12 m 以外,围岩的竖向变形随着距离隧洞轮廓面的增大而减小,其竖向变形分布在0.5 mm～0.6 mm 区间内。因此在施加锚杆时,可依据此选取锚固长度。