黄土地区引水隧洞施工围岩变形特征分析

2023-07-28苗孝哲

陕西水利 2023年7期

苗孝哲

（中国水利水电第十一工程局有限公司,四川成都 610200）

1 引言

随着我国大开发的快速推进,黄土地区的基础建设随之蓬勃发展。隧洞里程不断增多。但由于黄土的物理力学特性较差,如果隧洞穿越黄土区域将面临很多工程问题,严重影响隧洞的施工与安全运营。

梁庆国等[1]基于MIDAS/GTS 研究了富水区黄土隧洞围岩大变形控制技术,并给出了4 种不同的加固措施,结果表明,帷幕注浆加固措施对于该富水黄土隧洞变形及结构受力情况的控制效果最佳。李又云等[2]采用数值模拟研究了黄土隧洞围岩流变对旋喷桩地基变形的影响。结果表明,加固后的地基与天然地基相比,回弹变形量仅为天然地基的0.1 倍。牛彦平等[3]研究了湿陷性黄土危岩变形特征。结果表明,降雨入渗会改变黄土的结构特征,导致黄土隧洞围岩发生大变形。王可用[4]认为,湿陷性黄土的在遇水后承载力大幅降低,针对隧洞围岩变形特点,给出了围岩支护措施和建议。李志清等[5]研究了大断面黄土隧洞围岩变形特征。结果表明,隧道拱脚是施工中的薄弱部位,实际工程中应提高支护强度。此外,支护时机与强度对围岩后期变形仍存在一定的影响。刘晓杰等[6]基于现场监测数据研究了富水深埋黄土隧洞变形规律及控制措施。结果表明,围岩变形受降雨的影响较大,仰拱闭合支护可以显著控制围岩的大变形。赖金星等[7]基于现场测试手段研究了软弱黄土隧洞变形规律,提出了隧道变形预测模型,总结了黄土隧道围岩变形的三个阶段。扈世民等[8]采用三维数值模拟研究了大断面黄土隧洞变形特征。结果表明,围岩拱部竖向位移弱化较慢,边墙水平位移弱化较快。此外,水平收敛普遍小于拱顶沉降。本文基于数值模拟研究某黄土区引水工程隧洞围岩变形特征。

2 工程概况

研究隧洞位于西部黄土区,总长度为1900 m,隧道最大和最小埋深分别为110 m 和20 m。区域贮存水分为松散岩类孔隙水,埋藏深度一般为40 m。地下水的补给形式主要以降雨为主,由于受补水条件的差异,研究区地下水埋深差异性较大。

现场调查取样对黄土的湿陷性进行评价表明,研究区隧洞场地的土样湿陷性比较轻微,其中取样进行的室内土工试验得到的黄土湿陷系数均在2%以下,说明隧洞黄土的工程性质和压实性较好,可以满足工程要求。

图1 隧洞断面及监测点布置

3 围岩现场监测数据分析

根据现场监测数据,汇总得到拱顶累计变形曲线,见图2。结果表明,隧洞出口处的拱顶位移普遍大于入口处的位移,且累计下沉更大。对比出口左右两线位移结果表明,右线拱顶下沉明显大于左线,其中左线累计变形位移为45 mm,相同条件下右线累计变形为63 mm,右线比左线大28%。比较进口左右两线数据表明,进口处拱顶变形较小,变化速率较慢,沉降比较均匀。

图2 拱顶累计变形曲线

图3 汇总得到隧洞断面周边变形曲线。结果表明,进口收敛变形差异性较小,出口左线的变形收敛量最大为12 mm,出口右线收敛最小,仅为9.4 mm。这可能是由于初期支护导致的应力重分布而造成衬砌前后侧受压增大,从而产生更大的位移。此外,随时间增大,收敛变形量逐渐趋于平缓,最大位移满足规范要求的安全性要求。

图3 隧道断面周边变形曲线

图4 汇总得到隧洞地表不同监测点的沉降变形曲线。结果表明,进出口左右线地表沉降曲线变化规律基本一致,但出口处沉降值大于进口处地表沉降值。其中出口最大值为70 mm,进口最大值仅为34 mm。

图4 隧道地表变形曲线

4 数值模拟分析

4.1 拱顶竖向变形

由于现场监测数据只能获取到部分数据,关于围岩应力无法通过实验获取。因此本文在现场监测的基础上采用数值模拟进一步进行验证和分析。以深入了解隧洞在不同阶段开挖时的变形分布规律。采用MIDAS/GTS 建立隧道模型,数值模型高度为200 m,纵向方向为40 m。

图5 汇总得到隧洞在不同开挖阶段隧道竖向位移变形规律。结果表明,隧洞开挖的第一阶段,拱顶处位移最大,最大值约为30 mm。此外,隧洞底部隆起22 mm；开挖结束后,拱底处的最大沉降为60 mm,隧洞底部两侧隆起最大为55 mm。与现场监测数据对比发现,监测得到的第一阶段拱顶沉降最大值为20 mm,开挖结束后拱顶最大沉降为62 mm,可以发现,数值模拟结果与实际观测结果基本一致,且在隧洞进行支护后位移趋于稳定,证明数值模拟的可靠性。

图5 隧道开挖不同阶竖向位移变形

4.2 拱顶竖向应力

图6 汇总得到隧洞开挖不同阶段竖向应力云图。结果表明,隧洞在经过第一阶段开挖和支护后,隧洞应力发生了重新分布。其中在隧洞初衬两侧发生较大的应力集中。最大值约为5 MPa,进一步观察发现,锚杆加固对围岩变形具有显著的控制作用。随着隧洞进一步开挖,隧洞衬砌两侧应力逐渐增大至6.0 MPa,而隧道顶部围岩应力约为2 MPa。