APP下载

基于数值模拟的水工隧洞开挖稳定性研究

2023-08-31王庆勇刘扬扬

陕西水利 2023年8期
关键词:结果表明拱顶隧洞

王庆勇,杜 猛,刘扬扬

(1. 新疆水利发展投资(集团)有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000;2.南京南瑞水利水电科技有限公司,江苏南京 210000;3.新疆水利发展投资(集团)有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000 )

1 引言

随着我国工程建设的快速发展,隧洞规模和里程越来越长,隧洞形状、地质条件也越来越复杂。其中在山岭隧洞由于地质环境比较薄弱,是一种极易变形和开裂的隧洞,也是目前国内外研究重点和难点。

吕玺琳等[1]基于物理模型试验研究了饱和砂层盾构隧洞开挖面稳定性。结果表明,支护压力随开挖面的增大先增大后减小。开挖面的破坏形态主要是滑动和楔形破坏。寿平山[2]基于颗粒流研究了含软弱夹层边坡隧洞开挖围岩稳定性。结果表明,隧洞围岩的裂隙会导致软弱层发生局部破坏,且拱顶的位移显著大于拱脚。龚礼岳等[3]基于光滑粒子流研究了隧洞开挖面支护结构坍塌规律。结果表明,其他条件相同时,土体大变形的范围随覆盖层厚度增大而增大,在相同的覆土深度下,大变形的土体范围和倒灌入隧洞的土体体积随内摩擦角的增大而减小。许有俊等[4]基于数值模拟和理论方法研究了大断面矩形顶管隧洞开挖面土体稳定性,结果表明,开挖面前方土体塑性区的发展随支护应力比的增大而扩展,当开挖面塑性区延伸至地表时,土体发生主动破坏。张兴伟和王超[5]基于三维数值模拟研究了软弱隧洞围岩稳定性及地表沉降。结果表明,拱顶沉降随曲率增大而减小,在曲率为0.5时趋于稳定。此外,当土层界限越过拱底时,围岩变形和地表沉降影响较大。

本文基于数值模拟对比分析采用全断面法、CD 法和上下台阶法三种不同开挖方式对隧洞稳定性的影响。

2 工程概况及数值模型

2.1 工程概况

研究区地处剥蚀中低山区,隧洞高程介于200 m~800 m,自然坡度为25°。隧洞全长5.4 km,高度约为12.5 m。根据钻孔资料揭示,隧洞岩层由上至下主要为第四系坡残积粉土,崩坡积角砾土。下覆基岩主要为灰岩和砂岩。隧洞围岩类型为IV 和V 类。实际工程中,隧洞初衬主为喷射0.3 m 厚度的C30 混凝土,二衬采用厚度为0.4 m 的C40 筑模混凝土层。

2.2 数值模型

本文采用FLAC3D 进行建模与分析。为减小应力波在边界处的反射对计算结果造成的影响,适当扩大建模范围,其中模型长度取120 m,高度取80 m,宽度为70 m。最终建立的数值计算模型见图1。

图1 隧洞模型图

2.3 计算参数

数值模拟所采用的计算参数主要根据室内土工试验和既有研究选取。其中岩土体采用摩尔-库伦本构模型进行计算,混凝土衬砌采用各向同性线弹性本构模型计算。开挖采用null 空模型,支护采用壳单元模拟。计算采用的物理力学参数按照围岩类型进行取值,最终结果汇总见表1。

表1 围岩物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 现场监测与计算结果对比

为验证本文数值模拟的可靠性,首先对数值模拟结果与现场实测结果进行对比分析。图2 为数值模拟与实测结果对比。结果表明,数值模拟计算结果与实测值基本吻合,拱顶沉降变形随开挖时间的增大而先增大后减小。在开挖时间小于8 d 时,拱顶沉降保持增大趋势,当开挖时间大于8 d 时,拱顶位移趋于稳定。其中稳定后的拱顶沉降值,数值模拟为10.5 mm,而现场监测值为9.4 mm,模拟值与实测值相对误差在20%以内。结果证明本文数值模拟是合理的。

图2 监测数据与模拟值对比

3.2 围岩位移

为研究开挖方式对隧洞变形的影响,模拟了不同开挖方式对隧洞变形的影响见图3 和图4。图3 结果表明,三种开挖方式得到的隧洞水平位移趋势基本相同。其中在拱腰位置产生的位移最大。其中全断面法和台阶法得到的水平位移左右对称,而CD 法由于开挖从左至右,因此水平位移左侧大于右侧。图4 为三种不同开挖方式得到的隧洞竖向位移云图。结果表明,竖向沉降变形呈对称分布,且三种开挖方式得到竖向变形规律基本一致。但CD 法拱顶和拱顶处的应力集中现象明显小于其他两种方法。实际工程中应优先考虑CD 法开挖。

图3 隧洞水平位移云图

图4 隧洞竖向位移云图

此外,三种方法得到的隧洞竖向变形最大值均在拱顶处,实际工程中需着重考虑拱顶变形导致的掉块。根据计算结果,采用全断面开挖拱顶最大沉降和水平位移分别为12.9 mm 和6.3 mm,采用上下台阶法得到的拱顶最大沉降值和水平位移分别为11.3 mm 和5.7 mm,采用CD 法得到的拱顶最大沉降和水平位移分别为9.8 mm 和5.1 mm。总体来看,受开挖方式的影响,隧洞的水平变形和沉降有所不同,CD 法采用左右开挖,可以有效阻止围岩发生沉降变形。

图5 汇总得到不同开挖方式对拱顶沉降的影响。结果表明,三种开挖方式对拱顶沉降的影响规律一致,均为随开挖时间增大而先增大后稳定。在开挖时间为8 d 以内,拱顶沉降变形速率较大,随后变形速率减小最终趋于稳定。其中初始开挖导致的拱顶沉降占总沉降的70%以上。其他开挖时段仅占总沉降的30%。采用全断面法得到的拱顶最终沉降值为12.9 mm,上下台阶法得到的拱顶最终沉降值11.3 mm,CD 法得到的拱顶最终沉降值为9.8 mm。

图5 拱顶沉降随开挖时间变化

图6 汇总得到不同开挖方式对隧洞水平变形的影响。结果表明,三种开挖方式对拱顶沉降的影响规律一致,均为随开挖时间增大而先增大后稳定。其中初始开挖导致的拱顶沉降占总沉降的70%以上。其他开挖时段仅占总沉降的30%。

图6 水平变形随开挖时间变化

总而言之,根据三种开挖方式对隧洞的水平变形和拱顶沉降影响来看,采用CD 法可以有效减小隧洞变形。因此CD 开挖方式最优,其次为上下台阶法,最差的是全断面开挖法。

3.3 塑性变形

塑性发展区是判断围岩稳定性的重要指标。图7 表明,不同的开挖方式导致的拱底和拱顶均出现不同程度的塑性破坏区。其中CD 法产生的塑性区面积最小而全断面法导致的塑性发展面积最大。

图7 开挖方式对隧洞塑性区的影响

4 结论

本文基于FLAC3D 数值模拟,分别计算了采用全断面法、上下台阶法和CD 法三种不同的开挖方式对隧洞围岩稳定性的影响。得到如下几点结论:

(1)拱顶沉降变形随开挖时间的增大而先增大后减小。在开挖时间小于8 d 时,拱顶沉降保持增大趋势,当开挖时间大于8 d 时,拱顶位移趋于稳定。其中稳定后的拱顶沉降值,数值模拟为10.5 mm,现场监测值为9.4 mm,模拟值与实测值相对误差在20%以内。证明本文数值模拟是合理的。

(2)用全断面开挖拱顶最大沉降和水平位移分别为12.9 mm 和6.3 mm,采用上下台阶法得到的拱顶最大沉降值和水平位移分别为11.3 mm 和5.7 mm,采用CD 法得到的拱顶最大沉降和水平位移分别为9.8 mm 和5.1 mm。根据隧洞变形,隧洞采用CD 法开挖最优。

(3)不同的开挖方式导致拱底和拱顶均出现了不同程度的塑性破坏区。其中CD 法产生的塑性区面积最小,全断面法导致的塑性发展区面积最大。

猜你喜欢

结果表明拱顶隧洞
隧洞止水带安装质量控制探讨
方斗山隧道拱顶FLAC沉降模拟及修正
滇中引水工程大理段首条隧洞顺利贯通
立式圆筒拱顶储罐排版技术及控制方法
自密实混凝土在水工隧洞衬砌中的应用
大型拱顶储罐三角形板式节点网壳正装施工工艺
地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测研究
隧洞衬砌段渗水修复施工技术介绍
册亨县杂交水稻引种试验
体育锻炼也重要