沭水東調工程引水隧洞開挖過程仿真分析

謝 忱，梁其東

（1.山東省膠東調水工程膠州管理處，山東 膠州266300；2.日照市水務集團有限公司，山東 日照276800）

本文利用Midas 有限元軟件對沭水東調工程中引水隧洞開挖過程進行數值仿真分析，由于模擬隧道開挖后的時間較短，暫不考慮滲流場對應力分布的影響，簡化計算模型，探究引水隧洞開挖過程中圍巖應力變化情況，為工程開挖提供技術支持。

1 工程概況

沭水東調工程引水隧洞西起何家村，東至三莊鎮，門洞形斷面，隧洞設計長度18.37 km，屬長距離引水隧洞，該引水隧洞將沭河流域中3 座水庫中的水引入日照缺水地區水庫上游中，極大程度上解決了日照市部分地區供水困難問題。

在整個引水隧洞區段內，地面高程變化較大，最大高程為690 m，最大高程差可達562 m。隧洞沿線穿越山巒、溝谷、河流等多種地形，埋深在96～460 m 不等。年平均降水量為860 mm，地下水分布主要包括孔隙水、裂隙水及巖溶水。由于部分區段巖層較破碎，地下水分布不均勻，地下水易流失。

2 數值建模

為了更好的了解引水隧洞開挖過程中可能出現的問題，分析開挖過程引水隧洞圍巖應力與位移變化量，利用Midas 有限元軟件對隧洞開挖過程進行數值模擬。

2.1 模型建立與網格劃分

首先對土體進行建模，模型選取隧洞沿線12+000～14+000 段四級圍巖區域，長度50 m。引水隧洞開挖寬度4.1 m，開挖高度4.55 m，根據相關理論，建模范圍選取應力應變影響低于3%的范圍，即為5 倍開挖寬度，故模型寬度取42 m，引水隧洞上部巖土體按照現場地質勘察情況建立，隧洞底部取23 m 深度。綜上所述，本次對引水隧洞建模模型尺寸為：42 m×115 m×50 m。

網格劃分方案采用四面體劃分，隧洞開挖周圍巖土體應力應變影響范圍超過10%的區域（約為隧洞開挖周圍直徑15 m 區域）逐級網格細化，建模效果圖如圖1 所示。

2.2 數值模擬模型選擇

引水隧洞洞身、及其圍巖均屬于非線性材料，對于這類材料，Midas 軟件中適用的模型有劍橋模型、Mohr-Coulomb 等本構模型。其中Mohr-Coulomb 模型適用于彈性或彈塑性變形，摩爾-庫倫強度對材料抗拉屈服條件以及抗壓屈服條件進行了說明，隧洞及隧洞圍巖屬堅質脆性材料，宜使用摩爾庫倫模型按彈塑性準則對引水隧洞及周圍巖土體進行數值建模。另外，為簡化有限元模型，認為在開挖時間相對較短的情況下，挖去部分周圍巖土體中水的滲流相對較慢，假定不考慮滲流場對應力場的耦合作用。

圖1 引水隧洞建模效果圖

2.3 邊界條件及參數選擇

對完成建模及劃分網格后的模型進行邊界條件及參數設置。模型上表面設定邊界條件為自由邊界，模型四周表面設定邊界條件為豎向位移約束，模型底面設定邊界條件為固定端。

模型參數選擇參考地勘資料設定，模型頂層區域為風化巖，γ=17 kN/m3，ψ=29°，μ=0.35，c=0.07 MPa，E=0.8 GPa；中層區域為破碎礫巖、礫質土，屬Ⅴ級圍巖，γ=20 kN/m3，ψ=28°，μ=0.34，c=0.2 MPa，E=1.5 GPa；下層也是引水隧洞開挖層為斷裂帶，巖體較破碎，屬Ⅳ級圍巖，γ=22 kN/m3，ψ=35°，μ=0.31，c=0.5 MPa，E=3.0 GPa。

3 數值模擬結果分析

3.1 應力結果分析

隨著引水隧洞的開挖打破了原有的地應力平衡狀態，圍巖應力發生明顯變化，隧洞底部和側壁中央的應力變化最大，對于開挖前進方向，隧洞開挖對前進方向中心點處的影響最大。為了進一步探究隧洞開挖對周圍巖土體的應力影響值，選取模型中心點處（隧洞縱向25 m 處）作為研究截面，見圖2 和圖3。

圖2 引水隧洞模型中心點開挖前后最大主應力云圖

圖3 引水隧洞模型中心點開挖前后最小主應力云圖

圖2 與圖3 中，四個階段云圖分別為開挖至中心截面-5 m 處、開挖至中心截面0 m 處、開挖至中心截面+5 m 處、開挖至中心截面+10 m 處最大主應力和最小主應力云圖。由兩組圖可知，在開挖一定距離后，開挖方向正前方5 m 處圍巖應力已經出現了變化，最先出現變化的是隧洞頂端區域；當開挖至選定隧洞截面時，圍巖應力變化量較大，但在此瞬間圍巖應力變化分布較為均勻，還未明顯出現應力集中現象；隧洞開挖前進5 m 之后，選定隧洞截面應力變化范圍擴大，約為開挖瞬間的1.5 倍，隧洞周圍明顯出現了三處應力集中區，最小主應力集中分布在隧洞左側、右側中部以及隧洞底板，最大主應力主要在隧洞拱頂、左側、右側底角衰減較快；當開挖至選定隧洞截面前進方向10 m 處時，圍巖應力變化范圍影響區域增大，但應力變化程度降低，圍巖應力變化已經趨于平穩。

進一步，研究最小主應力與最大主應力的變化情況，根據數值計算結果，將隧洞開挖各點的最小、最大主應力分別繪制曲線，如圖4 所示。

圖4 隧洞開挖過程最小主應力與最大主應力變化曲線

圖4 中可以明顯地看出：當開挖進度距離距選定截面5 m 時，選定截面主應力變化不明顯；隨著開挖進度的增加，選定截面主應力變化程度增大，直至開挖至選定截面1 m 處時，選定截面周圍最大主應力與最小主應力同時產生突變，隧洞兩側中部和隧洞底板中心突變量最為明顯，突變量可達1.5 MPa；在選定截面被開挖超過1 m 后，選定截面的圍巖應力變化開始減弱并隨著開挖的繼續進行逐漸趨于平穩，達到一個新的穩定值。

3.2 位移結果分析

為了方便數值計算的結果對照，位移結果分析仍選取與應力分析時隧洞相同位置，即為隧洞開挖中心處截面，在整個開挖模擬過程中，引水隧洞中心截面出現的水平位移與豎向位移如圖5所示。

圖5 引水隧洞開挖過程水平位移與豎向位移等勢圖

由圖5 可以看出，隧洞中心截面處水平位移和豎向位移的最大值分別位于隧洞左右兩側中部和隧洞底板中心處，位移值分別為5.69 mm（方向指向隧洞內側）和4.34 mm（方向豎直向上）。

4 結論及建議

本次對沭水東調工程引水隧洞開挖數值仿真主要有如下結論：1）在隧洞開挖過程中，開挖截面的應力集中區主要分布在隧洞兩側中部以及隧洞底板中心處；2）隧洞開挖對1 m 范圍內圍巖應力影響最大，超過此范圍時，圍巖應力變化開始減弱并逐漸趨于平穩；3）隧洞開挖時，開挖截面最大水平位移值為5.69 mm，最大豎向位移值為4.34 mm。

建議隧洞開挖時，應適當降低開挖速度，防止開挖過快使得前進方向圍巖應力釋放速度增大；在開挖過程中，隧洞支護要及時，盡量不要晚于開挖進度1m 以上；建議加強隧洞側壁中部以及隧洞底板中心點處隧洞結構強度，防止底板隆起和側壁凹陷，出現此類情況時應立即停止開挖工作并對破裂處進行加固處理。