王 帥

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518100）

1 前言

引水工程的修建勢必影響周邊區(qū)域的土體變形和問題,尤其針對下埋引水隧道工程,當(dāng)隧道存在于淺層土體中的情況下,上部荷載將引發(fā)地表土體較大的側(cè)向位移變形。學(xué)者們針對引水工程上部土體的變形和受力特征問題,做了大量研究。朱學(xué)賢等[1-2]針對深埋引水工程,隧洞的長距離通風(fēng)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：通過分析計算分段各風(fēng)機的供風(fēng)量,確定的通風(fēng)方案滿足了隧洞內(nèi)的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。李建林等[3]研究了小斷面引水隧道工程的開挖施工方法。研究結(jié)果表明：掏槽技術(shù)的提出,以及其與光面爆破相結(jié)合的方案設(shè)計,有效解決了小斷面硬巖中隧道施工難度大的技術(shù)難題,同時有效保證了施工效率。顧錫羚等[4]研究了引水工程對沙漠綠化的作用。研究結(jié)果表明：引水工程在沙漠綠化中貢獻(xiàn)極大,在類似沙漠地區(qū)可參考修建。張社榮等[5]研究了運行階段引水工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取困難的問題。研究結(jié)果表明：基于分類樹方法提出的相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和分析體系,有效提高了數(shù)據(jù)處理和分析的效率。

通過以上的簡要分析,可以看出,學(xué)者們對引水工程在施工、管理、運營和遠(yuǎn)期效應(yīng)方面均開展了研究,而關(guān)于引水工程的施工所帶來的對上覆土體的受力和位移的影響,尚未有學(xué)者開展相應(yīng)研究,本文依據(jù)一處于沉積土和黏土地層中的引水工程,通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對該隧道的修建所造成的地表變形和受力變化進(jìn)行模擬,以研究引水工程隧道在局部區(qū)域變形中帶來的問題。

2 工程概況

該引水工程采用圓形隧道截面,采用預(yù)制混泥土管片拼裝施工屬于市政管線,作為城市配水系統(tǒng)的組成部分,在供水水源上的水量分配方面,有重要作用。隧道頂位于地表下3 m,隧道設(shè)計半徑3.5 m,如圖1 所示為隧道的三維視圖。由于特征,圖中基于對圓形隧道對稱性的認(rèn)識,展示時僅用二分之一隧道剖面,在圖中給出了相應(yīng)的尺寸和土層名稱,隧道上部土體為粘土,隧道埋深范圍內(nèi)的隧頂至隧底深度范圍內(nèi),土體為粉細(xì)砂地層,在位于隧道下部位置處設(shè)置0.3 m 厚砂卵石墊層,各土層材料的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。預(yù)制管片為采用標(biāo)號C45 混凝土在管片場預(yù)制而成,管片的物理力學(xué)參數(shù),列于表1 最后一行。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 引水工程隧道三維示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

根據(jù)圖1,按照引水隧道三維實際尺寸在FLAC3D 軟件,構(gòu)建與實際模型一致的三維模型,以便數(shù)值計算結(jié)果能夠反映真實情況,由于FLAC3D 有內(nèi)置的模型構(gòu)建板塊,因此采用其自身內(nèi)置的模型構(gòu)建模塊進(jìn)行該隧道模型的構(gòu)建,首先構(gòu)建整體模塊,這主要通過BLOCK 命令完成,整體大小為50 m×30 m×20 m,這主要為了有效避免邊界效應(yīng)的影響,在根據(jù)不同土層埋深,采用表1 中的參數(shù),對各層土體材料參數(shù)進(jìn)行賦值,這一過程通過‘PROPERTY’命令實現(xiàn)。構(gòu)建的三維模型,用于數(shù)值計算分析,見圖2。

圖2 三維計算模型

3.2 X 方向位移

隧道施工完成,運營中,隧道上部土體受荷載作用后,將發(fā)生位移變形,為了分析其在X 方向的變形特征,通過導(dǎo)出圖形的方式,將X 方向的變形位移云圖導(dǎo)出,如圖3 所示為隧道上部土體的X 方向位移云圖。而為深刻理解荷載正下方位置處,隧道上部土體的變形特征,導(dǎo)出了上部土體切片位移云圖,切片位置位于加載力的正中間的位置。

圖3 土體XX 方向整體位移云圖（單位：cm）

圖3 所示為土體XX 方向整體位移云圖,反映的是隧道上方土體的位移變化特征,根據(jù)圖例所表示的位移大小和云圖顏色,對位移變化進(jìn)行規(guī)律探究,由圖3 得出,最大荷載端部位置的X 方向位移最大,最大值為8.9×10-2cm,而荷載加載位置正下方土體的X 方向位移為5×10-3cm；X 方向的較大位移集中分布于荷載端部位置,在荷載端部位置的X 方向位移變化速率約為1.5（量綱為1）,隨著靠近荷載加載位置,X方向位移變化速率逐漸增大,最大值約為15（量綱為1）。在集中荷載位置正下方土體XX 方向位置幾乎為0。

土體XX 方向切片位移云圖反映的是隧道上方荷載正中位置的土體位移變化特征,得出最大荷載端部位置的X 方向位移最大,最大值約為9×10-2cm,而荷載加載位置正下方土體的X 方向位移為6×10-3cm；X 方向的較大位移集中分布于荷載端部位置,在荷載端部位置的X 方向位移變化速率約為1.7（量綱為1）,隨著靠近荷載加載位置,X 方向位移變化速率逐漸增大,最大值約為13（量綱為1）。在集中荷載位置正下方土體XX 方向位移為5×10-3cm,幾乎為零值。

通過上述對土體XX 方向整體位移云圖的解析,可得,X方向最大位移位于荷載端部位置,而變化梯度較小,約為1.5；同樣的,通過對土體XX 方向的切片位移云圖分析可知,最大荷載端部位置的X 方向位移最大,變化梯度較小,約為1.7。

3.3 XX 方向應(yīng)力

為了分析荷載作用下,上部土體的橫向方向的應(yīng)力分布特點,以確定合理的加固措施,根據(jù)計算結(jié)果,導(dǎo)出了XX 方向的上部土體應(yīng)力變化特征云圖。同時,為了分析荷載作用中心位置處的應(yīng)力變化特征,導(dǎo)出了XX 方向切片應(yīng)力變化云圖。

上覆土體的橫向XX 方向的整體應(yīng)力變化云圖得出,最大荷載下部位置的X 方向應(yīng)力最大,最大值約為3×102Pa,位于下方土體埋深約1m 處,荷載加載位置兩側(cè)土體的X 方向應(yīng)力為1.3×102Pa；X 方向的較大應(yīng)力集中分布于荷載正下方位置,在荷載兩側(cè)位置的X 方向應(yīng)力變化速率約為0.25（量綱為1）,在荷載加載位置正下方,X 方向應(yīng)力變化速率較大,約為0.85（量綱為1）。

根據(jù)上覆土體的橫向XX 方向的切片應(yīng)力變化云圖,得出最大荷載下部位置的X 方向應(yīng)力最大,最大值約為2.8×102Pa,且呈現(xiàn)出由表層向下部逐漸增大的趨勢,X 方向應(yīng)力最大區(qū)域分布于隧道管片正上方,荷載加載位置兩側(cè)土體的X 方向應(yīng)力為7.5×101Pa；X 方向的較大應(yīng)力集中分布于荷載正下方位置,在荷載兩側(cè)位置的X 方向應(yīng)力變化速率約為1.1（量綱為1）,在荷載加載位置正下方,X 方向應(yīng)力變化速率較小,約為0.65（量綱為1）。

4 結(jié)論

（1）X 方向最大位移位于荷載端部位置,該區(qū)域位移變化梯度較小,約為1.5（量綱為1）；靠近荷載加載位置,X 方向位移變化速率逐漸增大,最大值約為13（量綱為1）。

（2）X 方向的大應(yīng)力區(qū)集中于荷載正下方區(qū)域,兩側(cè)區(qū)域的X 方向應(yīng)力變化速率約為1.1（量綱為1）,在荷載加載位置正下方,應(yīng)力變化速率約為0.65（量綱為1）。

（3）實際隧道工程施工完成后,土體回填時應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)夯實,此外,建議采用高壓旋噴樁的加固方式對地表土體進(jìn)行加固。