鄧智彬

（東莞市橫瀝鎮(zhèn)工程建設(shè)中心,廣東 東莞 523000）

1 引言

引水隧洞可以解決區(qū)域水資源不均衡問題,由于調(diào)水量大,單個(gè)隧洞不能滿足要求時(shí),通?？梢栽O(shè)計(jì)雙隧洞引水[1]。而在分離式引水隧洞的施工過程中,若支護(hù)不及時(shí)或施工操作不當(dāng),極易導(dǎo)致中心巖柱發(fā)生失穩(wěn)破壞[2]。中心巖柱的破壞會(huì)導(dǎo)致周圍巖土體發(fā)生擾動(dòng)并引起地層產(chǎn)生不均勻沉降,甚至導(dǎo)致隧洞或者地表發(fā)生坍塌、塌陷等施工,對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)安全造成嚴(yán)重的不良影響[3]。因此,開展隧洞圍巖穩(wěn)定性的研究對(duì)隧洞施工技術(shù)的安全應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義[4]。

為進(jìn)一步了解,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)的研究。歷廣廣等[5]研究了圍巖的偏壓率與分離式引水隧洞間距之間的關(guān)系,確定了不同偏壓率下分離式引水隧洞的最小間距。萬明富等[6]提出當(dāng)分離式引水隧洞間距較小時(shí),分離式引水隧洞開挖施工過程中,靠近巖柱兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大,且中間夾巖上方巖層最易發(fā)生破壞。

本文依托某引水隧洞開展研究,利用三維有限單元軟件對(duì)軟弱地層下引水隧洞上臺(tái)階開挖后圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究了下臺(tái)階開挖后以及二次襯砌施加后圍巖的位移場(chǎng)分布規(guī)律,本文的研究成果對(duì)軟弱隧洞圍巖穩(wěn)定性的控制具有重要的工程意義。

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

本文依托某引水隧洞開展研究,采用分離式設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,該引水隧洞所處的巖層為IV 級(jí)圍巖,其圍巖的力學(xué)參數(shù)見表1,引水隧洞的平面位置圖見圖1。

表1 圍巖的力學(xué)參數(shù)

圖1 單洞雙向分離式引水隧洞平面位置圖

2.2 計(jì)算模型的建立

采用三維有限單元法軟件（FLAC 3D）進(jìn)行模擬計(jì)算,假定所模擬的圍巖均為理想的彈塑性體,在計(jì)算過程中采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。分離式引水隧洞的凈距為30 m,大于3倍洞徑,因而不考慮作用隧洞之間的相互影響?？紤]到邊界效應(yīng)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的影響,以及提高計(jì)算效率,所建模型的尺寸為 140 m×80 m×1 m。本文引水隧洞最大埋深為450 m,模型的上覆巖層厚310 m,因而在上邊界施加6 MPa 的初始地應(yīng)力,對(duì)隧洞模型的其余邊界施加固定邊界。其襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見表2,隧洞的FLAC 模型見圖2。

圖2 分離式引水隧洞計(jì)算模型圖（單位：m）

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

3 隧洞數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分布規(guī)律

在軟弱地層進(jìn)行開挖會(huì)導(dǎo)致地面發(fā)生不均勻沉降,造成地面建構(gòu)筑物產(chǎn)生開裂、破壞,因此在開挖過程中需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)加固處理[12]。圖3 和圖4 為分離式引水隧洞二次襯砌后圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力云圖。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

在FLAC 軟件計(jì)算過程中,應(yīng)力值為負(fù)值表示單元體處于受壓狀態(tài),而應(yīng)力值為正值表示單元體處于受拉狀態(tài)。由圖3 可以看出,當(dāng)上臺(tái)階開挖進(jìn)行支護(hù)后,支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于單向受拉狀態(tài),其中在引水隧洞的拱頂部分支護(hù)結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力最大,最大值為0.65 MPa,而在引水隧洞的下臺(tái)階部分也出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力,其拉應(yīng)力值為0.85 MPa。

由圖4 可以看出,在進(jìn)行二次襯砌之后,支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大的主應(yīng)力,其拱腰部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的最大主應(yīng)力高達(dá)5.43 MPa,其拱頂部分最大主應(yīng)力為2.51 MPa。由此可見,當(dāng)開挖后及時(shí)進(jìn)行二次襯砌之后,支護(hù)結(jié)構(gòu)承受了較大的應(yīng)力,圍巖的整體變形量均較小,顯著地提高了圍巖的穩(wěn)定性。

3.2 下臺(tái)階開挖后圍巖應(yīng)力、位移分布規(guī)律

由上述研究可知,當(dāng)隧洞開挖后會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生極大的擾動(dòng)作用,特別是在較為軟弱的地層中進(jìn)行開挖施工,極有可能導(dǎo)致圍巖發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,因此研究隧洞施工開挖過程中圍巖的位移、變形分布規(guī)律,對(duì)預(yù)測(cè)圍巖的失穩(wěn)可能性、保障圍巖的穩(wěn)定性具有重要的工程意義。

圖5 為隧洞完全開挖后巖層的豎向應(yīng)力云圖。由圖5 可知,在引水隧洞開挖后,最大豎向應(yīng)力分布在隧洞的左右拱腰處,且最大水平應(yīng)力方向均向左,為1.04 Pa。隨著埋深的增大（距離引水隧洞拱底12 m 處）,水平應(yīng)力隨著埋深的增大而增大,并且呈層狀分布。由圖5 和圖6 可知,當(dāng)隧洞的間距過大（大于3 倍洞徑）時(shí),地層的應(yīng)力、位移云圖均關(guān)于中軸線對(duì)稱。

圖5 下臺(tái)階開挖后豎向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6 下臺(tái)階開挖后豎向位移云圖（單位：m）

圖6 為下臺(tái)階開挖后圍巖的豎向位移云圖,由圖6 可以看出當(dāng)下臺(tái)階開挖后,隧洞左右洞的最大豎向位移分布在洞室的拱頂與拱底處。且最大的沉降量為1.62 mm,最大的隆起量為1.73 mm。其在隧洞的上下拱底處豎向位移分布范圍較大,在距離隧洞拱底與洞頂約12 m 處,引水隧洞圍巖仍具有較大的豎向位移,見表3。在拱底12 m 以外,圍巖的豎向變形隨著距離隧洞輪廓面的增大而減小,其豎向變形分布在0.5 mm～0.6 mm 區(qū)間內(nèi)。且隧洞的拱頂沉降量在各個(gè)時(shí)刻均大于拱底的隆起量。

表3 下臺(tái)階開挖后引水隧洞拱頂、拱底位移值

4 結(jié)論

本文依托某引水隧洞開展研究,利用三維有限單元軟件對(duì)軟弱地層下隧洞下臺(tái)階開挖后圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)單線雙向分離式引水隧洞下臺(tái)階開挖后,在未進(jìn)行二次襯砌加固措施時(shí),巖土體的表層產(chǎn)生了顯著的不均勻沉降。

（2）在下部臺(tái)階開挖后,圍巖的拱頂與拱底部分位移還未調(diào)整,其雙線引水隧洞圍巖的豎向變形均在1.07 mm～1.75 mm區(qū)間內(nèi)。

（3）在進(jìn)行二次襯砌之后,拱腰部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的最大主應(yīng)力高達(dá)5.43 MPa,拱頂部分最大主應(yīng)力為2.51 MPa。

（4）在拱底12 m 以外,圍巖的豎向變形隨著距離隧洞輪廓面的增大而減小,其豎向變形分布在0.5 mm～0.6 mm 區(qū)間內(nèi)。因此在施加錨桿時(shí),可依據(jù)此選取錨固長(zhǎng)度。