雙拱引水隧洞在不同工況下豎向位移的數值模擬研究

毛遠輝，侯付闖

(1.新疆水利水電規劃設計管理局，烏魯木齊 830000；2.陜西中凱恒瑞工程項目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

隨著水利引水工程的大量建設，不可避免出現越來越多的隧洞工程，對此學者們進行了大量的研究。王閱章[1]依托某隧洞工程，研究了不同超前小導管管徑對隧洞地表沉降的影響，研究結果表明外插角對地表沉降影響最密切。陳福勇等[2]結合隨機場理論，提出了大尺度三維隨機場生成方法，結果表明隨機場計算得到的隧洞失效概率小于傳統的計算方法。冉建西等[3]描述了陣列式位移法在盾構隧洞施工期中的運用，認為該位移法可解決盾構機與觀測工作之間的矛盾。王煉[4]介紹了兩個圍堰工程的設計結構及其施工過程，并提出鋼樁設計改進方法。賈元霞[5]針對傍山淺埋偏壓隧洞工程施工問題，提出放坡明挖、支擋明挖方案。研究結果表明，護拱暗挖進洞方案中開挖及防護工程量小，滿足工程實際需求，值得大力推廣。于興達[6]認為淺埋暗挖法隧洞施工技術是目前較為先進的施工技術，并對該技術的關鍵控制因素進行了分析，最后提出了進一步的優化建議。孫江濤[7]認為在隧洞支護施工中，“超前大管棚+小導管注漿”應用前景較好，結合該方法本文提出了許多建議。林海秋[8]針對隧洞施工中存在的地質災害處理技術水平不高的問題，提出了多種地質災害處治措施，該處治措施可為同類隧洞災害處治提供參考。

由于以上研究均未分析雙拱引水隧洞在不同工況下的豎向位移變化，因此本文結合某具體雙拱隧洞工程，利用數值模擬對不同工況下的隧洞位移進行研究，以期為類似的隧洞工程提供參考與借鑒。

2 工程概況

某雙拱隧洞工程位于四川省巴中市，屬于引水隧洞，隧洞長514 m。結合地勘資料可知，隧洞所處地層的原始地質面貌是剝蝕殘丘、馬欄河階地以及海漫灘。上層覆蓋為第四系的素填土層、淤泥質粉質卵石層、黏土層、沖洪積層、坡洪積層，下伏青白口系細河群橋頭組、震旦系長嶺子組板巖和石英巖的互層，局部存在中生代的燕山期輝綠巖層的侵入。

經過地質勘察，隧洞區域巖土體從上至下依次為風化土、風化巖和硬巖。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

數值模擬采用PLAXIS，數值模擬隧洞研究區域長×寬×高為248 m×124 m×84 m，數值模擬見圖1。

圖1 引水隧洞模型圖(單位：m)

3.2 模型的屬性

PLAXIS 3D可提供線彈性模型、Mohr-Coulomb(MC)模型、Hardening-Soil(HS)模型，節理巖石(JR)模型、修正劍橋模型等多種本構模型。結合該隧洞的實際地質情況，選擇MC模型。數值模擬中，盾構設備采用板單元進行模擬。隧洞砼型號為C40，砼選擇彈性模型，彈性模量為3.45×1010Pa，體積模量為2.81×1010Pa。巖土體和盾構設置的物理力學性質見表1和表2。

表1 巖土體的物理力學性質

表2 盾構設置相關參數

數值模擬共計862 026個節點，688 012個單元，模型計算至最大不平衡力變化率小于1×10-5截止。

選擇距離隧洞左線146 m處的斷面為典型斷面，對隧洞開挖進行以下8種工況的研究：

工況1：左線盾構到達前，即刀盤距離斷面8.8 m

工況2：左線盾構到達時，刀盤抵達斷面處

工況3：左線盾尾脫出，盾尾到達斷面

工況4：左線盾構通過后，即盾尾脫離斷面8.8 m

工況5：右線盾構到達前，刀盤距離斷面8.8 m

工況6：右線盾構到達時，刀盤到達典型斷

工況7：右線盾尾脫出，盾尾抵達斷面

工況8：右線盾構通過后，盾尾離開斷面8.8 m

3.3 模擬的結果

利用數值模擬進行研究分3種情況，分別為正常施工條件、不利地層損失率條件和有利地層損失率條件。正常施工條件是指按照設計要求正常開挖；地層損失指的是盾構施工中挖土體積和建成隧洞體積之差；地層損失率為占盾構理論排土體積的百分比。不利地層損失率和有利地層損失率均控制在10%以內。

數值模擬結果見圖2-表4。

由圖2(a)可知，正常控制條件下，工況8的累積沉降最大，接近30 mm，工況左線盾構到達前和右線盾構到達時累積沉降最小。由圖2(b)可知，左線盾構通過后的累積沉降最大，占比總沉降53%。

圖2 正常控制數值模擬結果

由圖3(a)可知，正常控制條件下，工況8的累積沉降最大，接近40 mm，工況左線盾構到達前和右線盾構到達時累積沉降最小。由圖3(b)可知，左線盾構通過后的累積沉降最大，占比總沉降54%。

圖3 不利地層損失率數值模擬結果

由圖4(a)可知，正常控制條件下，工況8的累積沉降最大，接近14 mm，工況左線盾構到達前和右線盾構到達時累積沉降最小。由圖4(b)可知，左線盾構通過后的累積沉降最大，占比總沉降48%。

圖4 有利地層損失率數值模擬結果

4 結 論

本文結合某引水隧洞開挖項目，對不同工況條件下的隧洞豎向位移進行了數值模擬研究，研究結果表明：

1)正常開挖條件下、不利地層損失率條件下和有利地層損失率條件下，不同的工況最大沉降約為30、40和14 mm，工況8情況下沉降最大。

2)在有利地層損失率條件下進行施工，地層的沉降率明顯低于正常開挖和不利地層損失率條件，應當開展有利地層損失率的施工。

3)數值模型僅研究了3種工況下的沉降位移，并沒有從受力、工期和安全性條件進行分析，此方面的研究有待進一步深入。