盧功臣，蔣 銳

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 712000)

長距離的輸水隧洞由于施工周期長，距離大等特征，在施工及運營過程中易發(fā)生較多問題。輸水隧洞在沿線易遭遇復雜的地質(zhì)條件，使得施工中需要面對各種各樣的難題，因此做好超前地質(zhì)勘測十分有必要[1]。而針對某些具體的工程問題，需要對其進行機理構造的預測[2][3]。如果試驗及數(shù)值模擬結果表明施工中存在一定的危險，則需因地制宜地采取防護措施或是新型工藝[4-7]。同時，由環(huán)境因素引起的短期突發(fā)狀況也需要進行安全評估[8][9]。

長距離輸水隧洞在隧道各段的受力方式大致相同，主要的外力來源于圍巖壓力及內(nèi)水壓力。由于隧洞的標高在掘進過程中緩慢上升，速調(diào)與目標點的高差也在發(fā)生變化， 因此不同段的內(nèi)水壓力也不同。本文就輸水隧洞施工期及運營期的穩(wěn)定性影響進行了研究，利用有限元軟件Abaqus分析隧洞在各個階段襯砌各方面的變化，并考慮不同內(nèi)水壓力下隧洞襯砌的最大應力。針對應力增加過快的情況，采用了不同的支護措施，分析其對隧洞安全性起到的作用，最終對隧洞施工給出相應建議。

1 工程概況

榆林某輸水隧洞東線供水對象主要為榆林能源化工基地(解決其資源性缺水問題)以及工程沿線重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)，緩解城市與工業(yè)發(fā)展、生態(tài)用水矛盾，為能源基地可持續(xù)發(fā)展提供可靠的供水保障。主要供水對象為窟野河河谷區(qū)、榆神工業(yè)園和禿尾河河谷區(qū)及沿線城鎮(zhèn)的生產(chǎn)生活用水。

工程現(xiàn)狀水平年為2015年，設計水平年近期為2025年，遠期為2030年。供水保證率不低于95%。工程近期擬從黃河年取水量約3億 m3(遠期約7億 m3)。根據(jù)工程效益和在經(jīng)濟社會中的重要性確定工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。

隧洞取水口到黃石溝水庫段(包括水庫)，線路長度約24 km；黃石溝水庫出庫到引水末點石峁水庫，線路長度約88.2 km。線路初步確定了以下方案：方案由干線和支線組成，干線為窟野河三級加壓泵站至石峁水庫，全長74.3 km，線路包括4座隧洞、3座泵站、3座倒虹、5段管線。南線支線為禿尾河四級加壓泵站至清水溝工業(yè)園，全長19.725 km，線路為管線。同時在禿尾河以西線路布置一條比較線，線路同樣為管線，全長9.94 km。推薦線路總長74.3 km，以隧洞為主。共布置4條隧洞，全長66.586 km，占總輸水線路的89.6%；壓力管線共分為五段，全長7.084 km，占總輸水線路的9.5%。建筑物主要為1座倒虹，三個泵站，倒虹為禿尾河倒虹，泵站分別為小川岔泵站、禿尾河泵站及海則溝泵站。

工程區(qū)地勢總體呈西北高東南低，由北西向東南傾斜。地貌形態(tài)主要有堆積-侵蝕形成的河谷階地區(qū)、沙漠區(qū)及構造剝蝕形成的沙蓋黃土梁、峁區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)等四種地貌景觀。

沙漠區(qū)分布于長城沿線以北、窟野河以西廣大地區(qū)，窟野河東側有少量分布。長城沿線以南為黃土丘陵溝壑區(qū)，與沙漠區(qū)接壤部位有沙蓋黃土梁、峁區(qū)過渡帶，窟野河以東至黃河沿岸為黃土溝壑區(qū)，沿河谷兩岸分布有河流漫灘及階地區(qū)。

圖1 平面位置示意圖

2 三維數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)勘測報告，建立整體模型如圖2。隧洞半徑為4 m，厚度為0.5 m，埋深20 m。由于選取觀察處與輸水終點高程相差250 m，內(nèi)水壓力取為250 kPa。相關的圍巖和隧道材料參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 模型整體示意圖

表1 圍巖主要參數(shù)

表2 基坑擋土墻及隧道襯砌材料參數(shù)表

根據(jù)隧洞的施工計劃，擬定模型分析步驟如下：

(1)模型的地應力平衡；

(2)開挖隧洞內(nèi)土體強度折減；

(3)施加襯砌；

(4)開挖土體；

(5)施加內(nèi)水壓力。

完成步驟后，分析隧洞的位移和應力云圖，觀察內(nèi)部應力分布變化。

3 隧洞施工及運營期數(shù)值模擬結果分析

3.1 數(shù)值模擬結果

圖3為模型整體位移云圖。從圖中可以看出，隧洞整體最大位移集中于隧道底部，產(chǎn)生了1.43 mm的位移，而后向兩側擴張，隧道上方則位移較小。原本應有上方巖石的壓力造成的拱頂下沉，但隧洞內(nèi)的水壓力抵消了巖石壓力，導致隧道頂部呈現(xiàn)出位移平衡的狀態(tài)，二底部則是由于圍巖壓力不足以抵消內(nèi)水壓力、隧道及圍巖自身重力，而導致的下沉結果。從水平位移云圖和豎向位移云圖可以看出水平位移主要產(chǎn)生于拱腰兩側， 大小相同，方向相反；豎直位移則由拱底至拱底逐漸減小。

圖3 模型整體位移云圖

圖4為模型整體Mises應力云圖。由圖可知，拱腰處的應力明顯大于其他位置，大小為1.92 MPa，拱頂和拱腰大小約為0.8 MPa，遠小于拱腰的應力，說明此時圍巖壓力造成的應力變化影響仍大于內(nèi)部水壓，因此呈現(xiàn)出與無水壓時相近的應力分布。

圖4 模型整體應力云圖

圖5為圍巖的塑性區(qū)云圖。塑性區(qū)主要分布于隧洞的四個角點，即右上、左上、右下、左下四個位置。此處圍巖受到水平、豎向壓力的合力較大，在隧洞內(nèi)水壓力的作用下產(chǎn)生塑性變形。

圖5 圍巖塑性區(qū)

3.2 影響因素分析

本節(jié)研究隧洞內(nèi)水壓力對隧洞襯砌最大應力的影響。文中以50 kPa為間隔，研究了內(nèi)水壓力從100 kPa到600 kPa時的隧洞最大應力。由圖6可得在壓力從100 kPa變化為350 kPa時應力上升較為平緩，曲線斜率變化較小；而當內(nèi)水壓力高于400 kPa時，應力增長迅速，在內(nèi)水壓力為600 kPa時應力達到4 MPa以上，因此隧洞的內(nèi)水壓力越大，襯砌的應力增長也越快，當內(nèi)水壓力在500 kPa以上時隧洞有破壞可能，需要采取一定的防護措施。

圖6 隧道最大位移隨平移距離變化曲線

為了減小襯砌應力，對每個模型的隧洞分別添加小導管注漿工藝和錨桿加固工藝，所得結果如圖7。從圖中可以發(fā)現(xiàn)小導管注漿和錨桿加固都能在高內(nèi)水壓力的情況下保持應力穩(wěn)定增長，不會出現(xiàn)增長過快的情況，且小導管效果要略優(yōu)于錨桿加固。

圖7 隧道最大位移隨開挖深度變化曲線

4 結語

本文以榆林某輸水隧洞東線為背景，利用有限元軟件Abaqus建立了三維數(shù)值模型，分析了輸水隧洞開挖及運營過程中的穩(wěn)定性。通過分析隧洞開挖完成后的應力狀態(tài)，以及施加保護措施后的穩(wěn)定性，得出如下結論：

(1)隧洞在運營期的位移由拱底至拱頂逐漸增大，到拱頂時在內(nèi)水壓力與圍巖壓力的共同作用下位移較小。

(2)隧洞應力主要產(chǎn)生于拱腰，頂部和底部所受的應力相對較小。

(3)在內(nèi)水壓力的作用下，隧洞右上、右下、左上、左下四個角點最先產(chǎn)生塑性區(qū)。隨著壓力的增大，塑性區(qū)的范圍將逐漸擴大，直至遍布隧洞四周。

(3)在不同的內(nèi)水壓力作用下，隧洞的應力會隨之上升，且在超過400 kPa時，增長速度加快。對隧洞周圍進行小導管注漿的效果要好于施加錨桿。同時，兩種支護方式都能使在內(nèi)水壓力上升時，隧洞最大應力增長速度減緩。