某水库泄水隧洞深基坑开挖施工中隔离墙的作用

杨宁

（山西省晋中市水利建筑工程总公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

某水库工程始建于2019 年，其泄水隧洞位于水库大坝右岸，隧洞入口与坝脚相距198 m，泄水隧洞设计长度521.47 m，属于Ⅰ级建筑物。该泄水隧洞于2019年9月完成基坑开挖，随即进行了进出口闸门和启闭机安装，其进口事故检修闸门采用潜孔式平面定轮钢闸门，而出口工作闸门采用弧形钢闸门。泄洪形式为泄水隧洞和溢洪道联合泄洪，汛限水位按照96.40 m设计，出口工作闸门挡水位98.80 m。该泄水隧洞工期紧张，开挖分上下两部分进行，开挖量分别为9.40万m3和14.70万m3。该隧洞开挖施工必将对水库既有建筑物造成不利扰动和影响，为此，必须在开挖期间采取有效保护措施。

2 隔离墙作用模拟

2.1 模型构建

该水库泄水隧洞深基坑开挖施工对水工隧洞位移的影响具体见图1，从图中可以看出，d=1.20 m的地连墙和d=0.80 m的隔断墙两部分共同构成隔离墙结构，连接两者的主要是直径1 m的连系墙；水工隧洞设计直径6 m，地层结构从上至下依次为杂填土层、粉土层、粉质黏土层、粉细砂土层、砂岩层，土层物理力学参数具体见表1。为进行隔离墙建设前后对水工隧洞位移可能影响的分析，还应在水工隧洞四周设置位移监测点。

表1 土层物理力学参数表

图1 水工隧洞深基坑开挖模型剖面图

基于以上调查，应用MIDAS有限元分析软件构建隔离墙对水工隧洞深基坑开挖可能影响的三维有限元模型，具体见图2，共包括22 348个单元和15 183个节点。考虑到基坑实际尺寸过大，为防止出现模型边界效应，根据Saint Venant’s Principle，应按照基坑开挖深度的3～6倍确定模拟边界。泄水隧洞衬砌及隔离墙结构均使用C35 混凝土材料，隔离墙设计厚度0.80 m。所构建的有限元模型在基坑开挖次序、开挖深度、隔离墙结构及土层分布等方面与图1基本一致，以该模型为依托进行隔离墙设置前后，深基坑开挖施工对水工隧洞位移影响的分析。

图2 三维有限元模型图

2.2 模拟步骤

在构建起该水库泄水隧洞深基坑开挖及隔离墙分析模型后施加重力荷载，并确定边界约束条件，通过勾选位移清零后得出初始应力场；在此基础上进行水工隧道深基坑开挖过程模拟，勾选位移清零以忽略深基坑开挖施工前水工隧洞变形。施工隔离墙，依次按照设计深度设置第一道支撑，开挖第一层土，设置第二道支撑，再开挖第二层土，并最终开挖至基坑底部，施作基坑底板和支护锚杆。

3 结果与分析

在该泄水隧洞深基坑开挖施工前在隧洞拱顶布置测点，展开原位测试。该水工隧洞起点和终点里程分别为K14+460和K14+555，按照10 m间隔在隧洞拱顶共布设9个测点。

3.1 对土体的保护作用

隔离墙建设后对水库泄水隧洞四周土体横向位移、纵向沉降位移等均存在一定程度的影响。通过分析发现，在隔离墙建成前后不同埋深下的土体表现出基本一致的横向位移，且随着土层埋深的持续增大，横向位移先增大后减小；隔离墙建成后不同埋深范围内的土体横向位移均匀程度显著提升，且横向位移最大值出现在15 m 埋深处，隔离墙建设前后周围土体横向位移最大值分别为5.54 mm 和3.78 mm，隔离墙建成后使周围土体位移平均降低24.9%，也说明隔离墙对周围土体横向位移具有明显的抑制和保护作用。见图3（a）。

此外，周围土体竖向沉降随着横向距离的增大而先增后降，最后趋于1.29 mm 的稳定值，而未设置隔离墙情况下稳定后的沉降值为1.53 mm。通过分析发现，隔离墙设置后能使水工隧洞深基坑开挖过程中土体横纵向位移明显降低，起到有效的土体保护作用。见图3（b）。

图3 隔离墙建成前后隧洞周围土体位移图

3.2 对水工隧洞的保护作用

根据对隔离墙设置前后水工隧洞横纵向位移情况的比较分析得出，隔离墙设置后隧洞不同部位水平位移均比不设置隔离墙时低，且由于隧洞左侧临近基坑开挖施工区域，故左侧位移明显比右侧高，而隧洞顶底部位移大致呈对称形式。隔离墙建成前水工隧洞左右侧及底部z向位移明显比建成后大，这也说明隔离墙的建设对抑制隧洞整体下沉、保证隧洞结构整体稳定具有积极作用。

3.3 位移三维云图分析

根据所得到的隔离墙建成前后该水库泄水隧洞—接坑—周围土体水平位移三维云图可以看出，不同部位横向位移分布存在较大差异，且深基坑底部横向位移最大，而基坑两个底角位移呈对称分布。在相同部位建设隔离墙后隧洞四周横向位移明显减小，也说明隔离墙建成后可有效降低横向位移，对深基坑周围土体起到保护作用。

此外，分析隔离墙建成前后泄水隧洞竖向位移三维云图可看出，隧洞竖向位移基本表现出顶部最大的对称分布趋势，且隔离墙建成前后隧洞顶部竖向位移最大值分别为2.38 mm 和2.01 mm，降幅达15.55%，意味着隔离墙的建设能显著降低隧洞竖向位移，对泄水隧洞及深基坑周围土体竖向沉降起到保护。

4 结论

综上所述，隔离墙的建设对于水库泄水隧洞深基坑开挖施工范围内土体具有显著的保护作用，能明显降低土体横竖向位移；同时还能对水工隧洞起到保护，隔离墙建成后隧洞不同部位水平位移及整体下沉将明显降低。该水库泄水隧洞深基坑开挖过程中按照文章的设计进行了隔离墙设置，此后基坑开挖施工对隧洞结构及周围土体的扰动完全符合文中相关分析，且隔离墙保护作用的发挥还与其自身结构长度有关，为此必须在分析的基础上，对隔离墙最优长度展开分析，以更加有效地指导工程实践。