引水隧洞圍巖受力變形的數值分析

曾劍鋒

（五華縣水利水電建設服務中心，廣東 梅州 514410）

1 引 言

以某水電站引水隧洞為例，通過設置監測面和監測點，對圍巖受力變形情況進行實時監測，分析其變形特點，同時借助有限元模擬方法模擬了圍巖受力變形規律，對監測數據進行驗證，為相關工程提供了指導意義。

2 工程概況

某水電站的主要功能為防洪和發電，主要由混凝土重力壩、溢洪道、泄洪洞、副壩及發電系統組成。引水隧洞位于大壩左側，總長780 m，開挖邊界寬12.80 m，長12.60 m。據地勘報告，隧洞穿過的地層巖性較為復雜，且洞內存在一些溶洞，縱斷面與足球場形狀相近，橫斷面與橢圓形相近。隧洞與溶洞高程、走向相同，溶洞內不存在填充物，無地下水。溶洞高11.20～12.80 m，橫向寬7.80～9.10 m，縱向長18.50～20.60 m，隧洞左側墻和溶洞的距離為6.24～7.56 m。

3 隧洞圍巖的變形分析

3.1 監測點的布置

依據施工單位的要求、施工條件和規范來設置監測斷面的間距。初步設置間距為20 m，由于隧洞旁邊有溶洞的存在，并且圍巖巖性比較復雜，所以要適當加密監測斷面的間距。結合溶洞的形狀和位置，設置測試斷面3 個，分別監測斷面的水平收斂位移和拱頂下沉位移。同時為了方便測試，把周圍位移監測點和拱頂下沉測點布置在一個斷面上。測試頻率設定為：1～15 d，一天2 次；16 ～30 d，一天1 次；1～3 個月，一周2～3 次。監測時間為某年的四月到七月。

3.2 監測數據分析

對引水隧洞監測面長達91 d的監測，得出隧洞三個監測面圍巖的變形結果。于此僅對監測面1 和監測面2 開展分析研究。對隧洞周圍位移結果和拱頂下沉結果進行整理，斷面1和斷面2位移變化規律大致相同，巖溶隧洞圍巖的整個變形過程分為三個階段：快速增長階段、平緩增長階段和基本保持不變階段。但斷面2與斷面1相比，水平位移拱頂稱沉降各測點的測量結果要略大，這表明隧洞圍巖變形的釋放率會隨著開挖斷面處溶洞的增加而增加。通過對斷面1、2 各監測點位移值的進一步比較發現，位移增量最大的部位是拱頂處，接著是邊墻的水平位移量，最小的是腰拱處水平位移值。別從側面揭示了當隧洞側面有溶洞存在時，可以在一定程度上抑制圍巖的變形，也說明超前支護工作的必要性和重要性，特別是對隧洞距離溶洞較近的左邊墻以及隧洞頂部的超前加固更是十分重要。

4 數值模擬分析圍巖的變形規律

4.1 數值模型的建立

由于施工條件和地層巖性較為復雜，所以使用有限元軟件建模時，簡化了溶洞條件。以地質勘察報告為基礎，在建模時對溶洞進行簡化處理。分析溶洞勘察資料，把溶洞簡化為半橢球+橢圓柱+半橢球。

隧洞工程建模時，范圍的設置一般定為開挖斷面寬度最大值的3～5 倍。所以各參數取值分別為：26.82 m 為上邊界，25 m 為-z 方向值，54 m 為+y 方向（隧道軸向）值，45 m 為-x 方向值，30 m為+x方向值。模型內約束條件設置為：頂部受上部巖石重力作用，表面自由；左右邊界垂直方向自由，水平方向受約束；底部邊界水平方向自由，垂直方向被約束。

4.2 數值模擬結果的分析

隧洞周圍圍巖的位移特點分析如下。兩個斷面監測點周圍各點特征位置和隧洞拱頂的最終變形計算值如表1、表2 所示；兩個監測斷面隧洞圍巖變形特點和總位移云圖如圖1、圖2所示（圖中左邊為溶洞，右邊為隧洞）。

表1 拱頂各特征部位最終變形量表

綜合分析表1 和表2、圖1 及圖2，能夠總結得出隧洞周圍圍巖的受力變形規律：隧洞四周圍巖朝著隧洞內開始收斂，與溶洞距離較短的隧洞左邊墻的水平位移量和拱頂處下沉位移比較大；與溶洞距離較短的隧洞左邊位移值與溶洞距離較長的隧洞右邊位移值相比，前者較大。各測點位移水平位移：仰拱底＜右腰拱＜左腰拱＜右邊墻＜左邊墻；下沉位移：右邊墻＜左邊墻＜右腰拱＜左腰拱＜拱頂，并且左邊墻在水平方向上的位移量約為右邊墻的兩倍。除此之外，隧道特征位置的變形量會隨著側部溶洞規模的增加而有不同幅度的增加，但與隧洞溶洞距離較大的右側變形量總小于距離較短處隧洞左側的變形量；并且拱頂下沉的變形量最高，約達到了4.30 mm；左邊墻在水平方向上的變形量略次之，約達到了2 mm；最小的是水平方向上腰拱的變形量，僅有0.20 mm。

表2 隧洞周圍各特征部位最終變形量表

圖1 圍巖位移變化云圖

圖2 監測面圍巖受力變形圖

再對溶洞四周圍巖的變形特征進行分析。2 個監測斷面溶洞四周各個特征位置的變形量最終計算值如表2 所示。綜合分析表2及相關的監測變形特征圖，能夠看出溶洞四周的變形特征：溶洞四周圍巖朝著溶洞內開始收斂，距離隧洞右側較近位置水平向上的位移和溶洞頂部下降位移比較大，位移平均值約為6.40 mm，其余各部位的位移值比較低。各測點位移水平方向上的位移：底部＜頂部＜左側＜右側部；下沉的位移：底部＜左側部＜右側部＜頂部，并且右側部在水平方向上的位移約是左側部的4～5倍。兩個監測斷面的位移進行對比能夠發現，溶洞各特征位置的變形量會隨著側部溶洞規模的增加而有不同幅度的增加；與隧洞右側距離較短位置處在水平方向上的位移和溶洞頂部下降的位移量比較高，增加值約為4 mm。

5 結論

①巖溶隧洞圍巖的整個變形過程分為三個階段，快速增長階段，平緩增長階段、基本保持不變階段。隧洞圍巖變形的釋放率會隨著開挖斷面處溶洞的增加而增加。位移增量最大的部位是拱頂處，接著是邊墻的水平位移量，最小的是腰拱處水平位移值。②隧洞及溶洞各測點位移變化符合上述規律。