引水隧洞下穿对既有路堑边坡位移影响研究

穆明垚

(北京市密云区水务局，北京 101500)

1 概 述

随着地下工程的建设，引水隧洞得到广泛应用，对此学者们进行了大量的研究[1]。顾博凯[2]采用数值模拟的方法，研究了双拱隧道在施工时的变形与应力状态。结果表明，隧道拱底与右洞区域容易出现应力集中现象，设计施工方案能够保证隧洞竖向位移满足安全要求。杨楠等[3]采用有限元方法，分析了某引水隧洞内某塌方处进行治理与否条件下的应力状态。结果表明，隧洞塌方不会马上造成隧洞破坏与山体失稳，但建议采取适当支护。安卫龙[4]以某引水隧洞爆破实际情况为例，研究了引水隧洞中光面爆破的施工技术，分析了爆破工艺与爆破技术。结果表明，爆破过程中参数及工艺的选择应结合引水隧洞实际情况，并加强人员的监测。李国玉[5]采用ABAQUS软件，研究了不同水头强度对衬砌和环向螺栓的影响。结果表明，管片变形由下到上逐渐增加，整体以压应力为主，且受体主要为隧洞围岩。郑明新等[6]采用Flac3d软件，研究了双洞隧道下穿对铁路线路的影响，并模拟分析了路基加固与否两种条件下的沉降变形。结果表明，两隧洞中间位置出现最大沉降，是否进行路基加固对沉降变形影响较大。刘方亮[7]采用2D软件FEM，研究了3个数值单元的支护系统的稳定性。结果表明，隧洞质量指数方法对于前两个数值单元应用较好，而岩体分级方法对第三种数值单元应用较好。

综合以上研究可以看出，目前对引水隧洞的数值模拟研究多停留在对其自身稳定性及结构措施方面，而引水隧洞下穿对既有边坡变形的影响几乎没有。鉴于此，本文依托贵阳市某新建引水隧洞案例，采用Flac3d数值模拟软件，研究新建隧洞下穿对既有路堑边坡变形的影响。

2 工程概况

2.1 工程概况

新建引水隧洞穿越某公路路堑边坡正下方，引水隧洞全长100m，最大埋深约54m。公路左边边坡高26m，右侧边坡高32m，边坡坡率为1∶1.25。根据地质勘查结果，项目区自上而下依次分布有强风化砂岩、弱风化砂岩和泥质砂岩，岩土体物理力学参数见表1。公路与隧洞布置情况见图1。

表1 路堑边坡岩土体物理力学参数表

图1 新建引水隧洞与路堑边坡位置图

2.2 数值模拟方案设计

为研究修建引水隧洞整个过程对路堑边坡的变形影响，将隧洞开挖分10步进行，每步开挖10m。同时,在路堑边坡的左右坡脚处设置监测点，以验证本文数值模拟的有效性。

3 数值模拟与结果分析

3.1 模型建立与选择

根据该隧洞地勘报告资料及工程设计图，确定模型的尺寸及引水隧洞的位置与大小，采用四面单元并结合犀牛软件进行建模，最后导入Flac3d软件生成数值模型。模型尺寸为190m×100m×98m，模型共计32 546个单元和28 325个节点，数值模拟采用Mohr-Coulomb模型。

3.2 引水隧洞开挖对既有路堑边坡整体位移的影响

图2为新建引水隧洞后的路堑边坡整体变形云图。由图2可知，隧洞整体呈现挤压变形，顶部挤压变形较大，整体呈现“条带状上凸型”，数值约为595mm，隧洞底部呈现回弹变形，数值约为345mm。路堑边坡左侧位移所受影响较小，主要原因是因为左侧边坡距离隧洞较远。而右侧边坡变形较大，整体呈现自坡顶到坡脚位移逐渐减小的趋势，位移范围在38～210mm。

图2 隧洞下穿对边坡整体位移影响

3.3 引水隧洞开挖对既有路堑边坡水平位移的影响

图3为引水隧洞开挖结束后的边坡水平位移云图。由图3可知，路堑右侧边坡水平位移呈现从坡顶到坡脚位移逐渐减小的规律，坡顶最大水平位移约109mm，坡脚水平位移较小，仅有29mm；路堑左侧边坡水平位移基本为0mm。分析数值模拟结果可知，路堑左侧边坡由于距离引水隧洞较远，受隧洞开挖影响较小，基本不产生水平位移。而路堑右侧边坡受隧洞开挖影响较大，整体产生较大的水平位移，边坡坡顶有较大的失稳风险。由图3亦可知，引水隧洞开挖后，隧洞的最大水平位移处位于隧洞的左上、左下、右上和右下处，数值约为83mm，且位移云图呈对称分布。

图3 引水隧洞开挖后边坡水平位移云图

结合数值模拟结果可知，在引水隧洞施工时，应加强路堑右侧边坡坡顶的水平位移监测，防止坡顶出现破坏失稳现象，同时应及时对引水隧洞进行支护措施。

3.4 引水隧洞开挖对既有路堑边坡竖向位移的影响

图4为引水隧洞开挖对既有边坡竖向位移的影响。由图4可知，路堑右侧边坡出现较大竖向沉降位移，整体呈现由坡顶到坡脚位移逐渐减小的趋势，坡顶最大沉降位移约为182mm，坡脚处沉降位移约为26mm。路堑左侧边坡整体沉降位移较小，坡角处沉降位移最大，约为4mm。由图3亦可知，引水隧洞顶部出现较大沉降位移，数值约为400mm，隧洞底部出现较大上拱位移，数值约为100mm。

图4 引水隧洞开挖后边坡竖向位移云图

结合数值模拟结果可知，引水隧洞开挖对路堑左侧边坡的位移较小，可以忽略对其产生的影响。路堑右侧边坡坡顶沉降位移较大，可适当采用锚杆进行加固，减小坡顶失稳的风险。同时，应在隧洞开挖时，及时对隧洞顶部及底部进行支护，防止隧洞出现塌方。

3.5 右侧边坡位移随开挖步数变化规律研究

图5为路堑右侧边坡坡面水平变形受引水隧洞开挖影响的变化规律图。不难看出，坡面距坡脚不同位置处的水平位移不同，距离坡顶越近，水平位移越大。同时，坡面水平位移随开挖步数的增加而增大，且离坡顶越近，变形速率越大，远离坡顶处变形速率较小。坡面整体呈现位移先快速增加后趋近平缓的变化规律。

图5 右侧边坡坡面水平位移图

图6为路堑右侧边坡坡面竖向变形受引水隧洞开挖影响的变化规律图。由图6可知，边坡变形速率自坡顶至坡脚逐渐增加，原因是坡顶距离引水隧洞最远，隧洞开挖对坡顶的影响较为滞后。但坡顶的沉降位移在第六步开挖后开始快速增加，并最终达到128mm。因此，在隧洞开挖时，应加强坡脚、坡顶处水平和竖向位移监测。

图6 右侧边坡坡面竖向位移图

3.6 模拟结果与监测数据对比分析

在两侧路堑边坡坡脚处设置监测点，采用全站仪进行监测，图7为实际监测数据与模拟结果对比图。分析可知，坡脚处位移整体呈现先缓慢增加后快速增加最后趋于稳定的变化规律。数值模拟的隧洞位移为28mm，较监测数据小4mm，两者相对误差为14%。产生误差的原因可能是数值模拟忽略了岩体之间的裂隙以及地层所受的构造应力，而从数据上来看，本文数值模拟与实际监测结果基本相符，具有一定的有效性。

图7 监测数据与数值模拟数据对比图

4 结 论

本文以某新建引水隧洞为研究对象，采用Flac3d有限元软件，研究了隧洞下穿对既有路堑边坡位移的影响，结论如下：

1)路堑左侧边坡受隧洞开挖影响较小，右侧边坡顶部受隧洞开挖影响较大，坡顶产生数值约为109mm的水平位移和182mm的竖向位移，坡脚处位移较小。实际工程中，应加强坡顶处位移监测，可适当采用锚杆进行边坡加固。

2)引水隧洞开挖后，隧洞顶部和底部出现100和400mm的回弹变形和沉降变形，而在隧洞的左上、左下、右上和右下角出现最大水平位移。因此，在隧洞开挖过程中，应及时施加衬砌，防止隧洞出现塌方破坏。

3)坡脚处位移整体呈现先缓慢增加后快速增加最后趋于稳定的变化规律，两者相对误差约14%，表明本文分析方法具有一定的可行性。