長距離輸水隧洞穩定性及支護研究

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生較多問題。輸水隧洞在沿線易遭遇復雜的地質條件，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，由環境因素引起的短期突發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水壓力。由于隧洞的標高在掘進過程中緩慢上升，速調與目標點的高差也在發生變化， 因此不同段的內水壓力也不同。本文就輸水隧洞施工期及運營期的穩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、工業園區，緩解城市與工業發展、生態用水矛盾，為能源基地可持續發展提供可靠的供水保障。主要供水對象為窟野河河谷區、榆神工業園和禿尾河河谷區及沿線城鎮的生產生活用水。

工程現狀水平年為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)。根據工程效益和在經濟社會中的重要性確定工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(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。

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

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

圖1 平面位置示意圖

2 三維數值模型

根據地質勘測報告，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，內水壓力取為250 kPa。相關的圍巖和隧道材料參數如表1、表2所示。

圖2 模型整體示意圖

表1 圍巖主要參數

表2 基坑擋土墻及隧道襯砌材料參數表

根據隧洞的施工計劃，擬定模型分析步驟如下：

(1)模型的地應力平衡；

(2)開挖隧洞內土體強度折減；

(3)施加襯砌；

(4)開挖土體；

(5)施加內水壓力。

完成步驟后，分析隧洞的位移和應力云圖，觀察內部應力分布變化。

3 隧洞施工及運營期數值模擬結果分析

3.1 數值模擬結果

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，但隧洞內的水壓力抵消了巖石壓力，導致隧道頂部呈現出位移平衡的狀態，二底部則是由于圍巖壓力不足以抵消內水壓力、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部水壓，因此呈現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為圍巖的塑性區云圖。塑性區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，在隧洞內水壓力的作用下產生塑性變形。

圖5 圍巖塑性區

3.2 影響因素分析

本節研究隧洞內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；而當內水壓力高于400 kPa時，應力增長迅速，在內水壓力為600 kPa時應力達到4 MPa以上，因此隧洞的內水壓力越大，襯砌的應力增長也越快，當內水壓力在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。從圖中可以發現小導管注漿和錨桿加固都能在高內水壓力的情況下保持應力穩定增長，不會出現增長過快的情況，且小導管效果要略優于錨桿加固。

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建立了三維數值模型，分析了輸水隧洞開挖及運營過程中的穩定性。通過分析隧洞開挖完成后的應力狀態，以及施加保護措施后的穩定性，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)隧洞應力主要產生于拱腰，頂部和底部所受的應力相對較小。

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

(3)在不同的內水壓力作用下，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水壓力上升時，隧洞最大應力增長速度減緩。