劉克文，隋玉明

（中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,廣東 中山 528403）

1 引言

由于長(zhǎng)距離大流量引水調(diào)度的需要,在引水工程需要跨越山區(qū)時(shí),受工程的選線(xiàn)往往由工程所在地的地形、地質(zhì)地貌條件、對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及土地征用等多重因素的影響與制約,在此情況下分離式隧洞也就應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。而分離式隧洞相較于單線(xiàn)隧洞而言,具有引水流量大,穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[3]。研究分離式隧道施工過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、變形對(duì)保障施工的安全進(jìn)行具有重要的意義[4]。

眾多學(xué)者對(duì)分離式隧洞圍巖穩(wěn)定性做了大量的研究。在歐美及日本等地下工程施工技術(shù)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家,自70年代就對(duì)分離式隧洞開(kāi)展了相關(guān)地研究。日本的鐵道技術(shù)學(xué)會(huì)發(fā)表了《關(guān)于平行隧道研究的報(bào)告》,在報(bào)告中提出可將分離式隧道中心的圍巖視為完全彈性體。楊文獻(xiàn)等[5]采用有限單元法研究了不同側(cè)壓力系數(shù)下,分離式隧洞在不同開(kāi)挖部下左右洞對(duì)中間圍巖穩(wěn)定性影響程度,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。經(jīng)過(guò)模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,相鄰隧道施工擾動(dòng)對(duì)中間圍巖的影響隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而增大。本文依托某山區(qū)引水隧洞工程為例,采用有限單元法軟件Flac 3D研究了分離式隧洞分部開(kāi)挖圍巖豎向圍巖分布規(guī)律。

2 工程概況

2.1 工程設(shè)計(jì)情況

本隧洞為南水北調(diào)西部重要線(xiàn)路,位于山嶺地區(qū)。設(shè)隧道輪廓面為卵形隧道,其設(shè)計(jì)橫斷面見(jiàn)圖1。隧洞區(qū)地下水埋藏較深,洞室范圍內(nèi)無(wú)地下水分布。地表水由大氣補(bǔ)給,水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。本隧洞所處地質(zhì)條件較差,大部分為Ⅴ圍巖,自穩(wěn)性較弱,對(duì)初期支護(hù)的要求較高。由于圍巖穩(wěn)定性較差,所以不能一次開(kāi)挖,根據(jù)工程情況采用上下臺(tái)階的方法。在開(kāi)挖過(guò)程中,先開(kāi)挖兩隧洞拱頂部分,再開(kāi)挖下側(cè)。

圖1 分離式隧道橫斷面尺寸圖（單位：cm）

2.2 數(shù)值模擬方法

本次計(jì)算區(qū)域?yàn)闄M向140 m,豎向64 m。即左右兩側(cè)計(jì)算邊界為四倍左右隧洞總跨度,下部邊界為2 倍左右隧洞總高度。輸入的材料參數(shù)列于表中。圍巖采用庫(kù)侖摩爾模型模擬,具體模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)表

為更為真實(shí)地模擬實(shí)際工況開(kāi)挖施工過(guò)程中分離式隧洞圍巖豎向變形分布規(guī)律。本文所處的Ⅴ級(jí)圍巖隧洞采用上下臺(tái)階法施工,因此施工過(guò)程的數(shù)值模擬過(guò)程包含以下幾步,分別為：（1）建立模型網(wǎng)格。（2）自重應(yīng)力場(chǎng)模擬分析。（3）開(kāi)挖兩隧道上臺(tái)階,部分土體計(jì)算。（4）開(kāi)挖兩隧道下臺(tái)階,部分土地計(jì)算。（5）計(jì)算結(jié)果分析。

2.3 計(jì)算模型建立

本文計(jì)算工況圍巖模型的寬為140 m,埋深為64 m,而可將隧洞視為平面應(yīng)變問(wèn)題,可以取隧洞長(zhǎng)度方向的單位長(zhǎng)度進(jìn)行模擬。因此可將分離式隧洞計(jì)算模型設(shè)置成長(zhǎng)×寬×高為140 m×1 m×60 m的立方體。依據(jù)圖1建立的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 分離式隧洞有限元計(jì)算模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 周邊地層應(yīng)力變化分析

圖3為在自重作用下,計(jì)算平衡時(shí)圍巖整體豎向位移云圖。

圖3 自重應(yīng)力場(chǎng)作用下的豎向位移（單位：m）

由圖3可以看出,在自重應(yīng)力作用下,圍巖的豎向變形成層狀分布,這是由于在有限元單元法軟件建模過(guò)程中,圍巖可視為均質(zhì)的、各相異性的連續(xù)性介質(zhì)。且隨著埋深的增大,圍巖的豎向變形相應(yīng)地也就越大。由圖3 可知,在深度為60 m處圍巖的平均沉降量可忽略不計(jì)；而在距離地表附近處,巖體的沉降量最大,達(dá)到12.7 mm,這是由于自重應(yīng)力作用下個(gè)層圍巖位移累計(jì)沉降作用而導(dǎo)致的。

3.2 不同開(kāi)挖部圍巖位移分布云圖

3.2.1 隧洞上部開(kāi)挖后豎向位移云圖

由上文可知,本文所依托的工程所處的圍巖地質(zhì)條件較差,大部分為裂隙較為發(fā)育、且圍巖強(qiáng)度較低的Ⅴ級(jí)圍巖,因此圍巖的自穩(wěn)能力相對(duì)較弱。若采用全斷面開(kāi)挖,則在施工過(guò)程中圍巖容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此本文采用臺(tái)階法施工,圖4 為隧洞上臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖豎向位移云圖。

圖4 隧洞上部開(kāi)挖后垂直位移云圖（單位：m）

由圖4可以看出,在隧洞上臺(tái)階開(kāi)挖后,圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布。由于在上部開(kāi)挖后,圍巖所受的擾動(dòng)較小,左、右隧洞輪廓面附近圍巖的豎向位移分布較為均勻,兩側(cè)隧洞的豎向變形分布在6 mm～8 mm區(qū)間內(nèi),且左、右行隧洞圍巖豎向應(yīng)力大小與分布規(guī)律基本相似。但由于開(kāi)挖作用,使得地表發(fā)生了不均勻的沉降,在隧洞的正上方的地面沉降量為12 mm,而在地表兩側(cè)地面的沉降量減小到1.15 mm。

3.2.2 隧洞上部開(kāi)挖后豎向位移云圖

本文依托工程所處的圍巖為 Ⅴ 級(jí)圍巖,圍巖的穩(wěn)定性較差,因而采用上下臺(tái)階開(kāi)挖法進(jìn)行施工,圖5 為下臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖的豎向位移云圖。

圖5 隧洞下部開(kāi)挖后垂直位移云圖（單位：m）

由圖5可以看出,在隧洞下臺(tái)階開(kāi)挖后,由于開(kāi)挖擾動(dòng)較大,此時(shí)隧洞的拱頂與拱底的豎向變形量均較大。隧洞兩側(cè)隧道的邊墻部分豎向變形量均收斂。由于上部荷載為均布荷載,且圍巖為完整的、均質(zhì)的、各向同性的連續(xù)介質(zhì),因此兩側(cè)隧洞拱頂與拱底處豎向位移的數(shù)值大小與分布規(guī)律均相同。在隧洞拱頂部分出現(xiàn)最多沉降量,隧洞最大沉降量為2 mm～2.25 mm。距離拱頂越遠(yuǎn)的拱肩部分,圍巖的沉降量基本為。隧洞最大隆起值出現(xiàn)在隧道的拱底中心處,且隧洞最大隆起值為1.32 mm～1 mm。

4 結(jié)論

本文依托某引水隧洞工程,采用有限單元法軟件Flac 3D研究了隧洞開(kāi)挖圍巖豎向圍巖分布規(guī)律,得到了如下結(jié)論：

（1）在自重應(yīng)力作用下,未開(kāi)挖前,圍巖的豎向變形成層狀分布,在深度最大處圍巖的平均沉降量為0；而在距離地表附近處,巖體的沉降量最大,達(dá)到12.7 mm。

（2）在上臺(tái)階開(kāi)挖后,使得地表發(fā)生了不均勻的沉降,在隧洞的正上方的地面沉降量為12 mm,而在地表兩側(cè)地面的沉降量減小到1.15 mm。

（3）豎向位移最大位于隧洞頂部,數(shù)值為2 mm。最大向上位移在位于隧洞拱底中心處,其隆起量在1 mm左右。