引水隧洞加固條件下的圍巖穩定性研究

鄧智彬

（東莞市橫瀝鎮工程建設中心,廣東 東莞 523000）

1 引言

引水隧洞可以解決區域水資源不均衡問題,由于調水量大,單個隧洞不能滿足要求時,通常可以設計雙隧洞引水[1]。而在分離式引水隧洞的施工過程中,若支護不及時或施工操作不當,極易導致中心巖柱發生失穩破壞[2]。中心巖柱的破壞會導致周圍巖土體發生擾動并引起地層產生不均勻沉降,甚至導致隧洞或者地表發生坍塌、塌陷等施工,對社會的經濟安全造成嚴重的不良影響[3]。因此,開展隧洞圍巖穩定性的研究對隧洞施工技術的安全應用具有重要的指導意義[4]。

為進一步了解,國內外眾多學者開展了相關的研究。歷廣廣等[5]研究了圍巖的偏壓率與分離式引水隧洞間距之間的關系,確定了不同偏壓率下分離式引水隧洞的最小間距。萬明富等[6]提出當分離式引水隧洞間距較小時,分離式引水隧洞開挖施工過程中,靠近巖柱兩側支護結構的應力最大,且中間夾巖上方巖層最易發生破壞。

本文依托某引水隧洞開展研究,利用三維有限單元軟件對軟弱地層下引水隧洞上臺階開挖后圍巖的穩定性進行數值模擬分析,研究了下臺階開挖后以及二次襯砌施加后圍巖的位移場分布規律,本文的研究成果對軟弱隧洞圍巖穩定性的控制具有重要的工程意義。

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

本文依托某引水隧洞開展研究,采用分離式設計。根據現場的監測數據可知,該引水隧洞所處的巖層為IV 級圍巖,其圍巖的力學參數見表1,引水隧洞的平面位置圖見圖1。

表1 圍巖的力學參數

圖1 單洞雙向分離式引水隧洞平面位置圖

2.2 計算模型的建立

采用三維有限單元法軟件（FLAC 3D）進行模擬計算,假定所模擬的圍巖均為理想的彈塑性體,在計算過程中采用摩爾-庫倫強度準則。分離式引水隧洞的凈距為30 m,大于3倍洞徑,因而不考慮作用隧洞之間的相互影響。考慮到邊界效應對模擬計算結果的影響,以及提高計算效率,所建模型的尺寸為 140 m×80 m×1 m。本文引水隧洞最大埋深為450 m,模型的上覆巖層厚310 m,因而在上邊界施加6 MPa 的初始地應力,對隧洞模型的其余邊界施加固定邊界。其襯砌結構的力學參數見表2,隧洞的FLAC 模型見圖2。

圖2 分離式引水隧洞計算模型圖（單位：m）

表2 支護結構的力學參數

3 隧洞數值模擬結果分析

3.1 襯砌結構的最大主應力、最小主應力分布規律

在軟弱地層進行開挖會導致地面發生不均勻沉降,造成地面建構筑物產生開裂、破壞,因此在開挖過程中需要及時進行支護加固處理[12]。圖3 和圖4 為分離式引水隧洞二次襯砌后圍巖的支護結構的最大主應力與最小主應力云圖。

圖3 支護結構最小主應力云圖（單位：Pa）

圖4 支護結構最大主應力云圖（單位：Pa）

在FLAC 軟件計算過程中,應力值為負值表示單元體處于受壓狀態,而應力值為正值表示單元體處于受拉狀態。由圖3 可以看出,當上臺階開挖進行支護后,支護結構均處于單向受拉狀態,其中在引水隧洞的拱頂部分支護結構的拉應力最大,最大值為0.65 MPa,而在引水隧洞的下臺階部分也出現了較大的拉應力,其拉應力值為0.85 MPa。

由圖4 可以看出,在進行二次襯砌之后,支護結構出現了較大的主應力,其拱腰部分的支護結構所受的最大主應力高達5.43 MPa,其拱頂部分最大主應力為2.51 MPa。由此可見,當開挖后及時進行二次襯砌之后,支護結構承受了較大的應力,圍巖的整體變形量均較小,顯著地提高了圍巖的穩定性。

3.2 下臺階開挖后圍巖應力、位移分布規律

由上述研究可知,當隧洞開挖后會對圍巖產生極大的擾動作用,特別是在較為軟弱的地層中進行開挖施工,極有可能導致圍巖發生失穩現象,因此研究隧洞施工開挖過程中圍巖的位移、變形分布規律,對預測圍巖的失穩可能性、保障圍巖的穩定性具有重要的工程意義。

圖5 為隧洞完全開挖后巖層的豎向應力云圖。由圖5 可知,在引水隧洞開挖后,最大豎向應力分布在隧洞的左右拱腰處,且最大水平應力方向均向左,為1.04 Pa。隨著埋深的增大（距離引水隧洞拱底12 m 處）,水平應力隨著埋深的增大而增大,并且呈層狀分布。由圖5 和圖6 可知,當隧洞的間距過大（大于3 倍洞徑）時,地層的應力、位移云圖均關于中軸線對稱。

圖5 下臺階開挖后豎向應力云圖（單位：Pa）

圖6 下臺階開挖后豎向位移云圖（單位：m）

圖6 為下臺階開挖后圍巖的豎向位移云圖,由圖6 可以看出當下臺階開挖后,隧洞左右洞的最大豎向位移分布在洞室的拱頂與拱底處。且最大的沉降量為1.62 mm,最大的隆起量為1.73 mm。其在隧洞的上下拱底處豎向位移分布范圍較大,在距離隧洞拱底與洞頂約12 m 處,引水隧洞圍巖仍具有較大的豎向位移,見表3。在拱底12 m 以外,圍巖的豎向變形隨著距離隧洞輪廓面的增大而減小,其豎向變形分布在0.5 mm～0.6 mm 區間內。且隧洞的拱頂沉降量在各個時刻均大于拱底的隆起量。

表3 下臺階開挖后引水隧洞拱頂、拱底位移值

4 結論

本文依托某引水隧洞開展研究,利用三維有限單元軟件對軟弱地層下隧洞下臺階開挖后圍巖的穩定性進行數值模擬分析,得到了如下結論：

（1）當單線雙向分離式引水隧洞下臺階開挖后,在未進行二次襯砌加固措施時,巖土體的表層產生了顯著的不均勻沉降。

（2）在下部臺階開挖后,圍巖的拱頂與拱底部分位移還未調整,其雙線引水隧洞圍巖的豎向變形均在1.07 mm～1.75 mm區間內。

（3）在進行二次襯砌之后,拱腰部分的支護結構所受的最大主應力高達5.43 MPa,拱頂部分最大主應力為2.51 MPa。

（4）在拱底12 m 以外,圍巖的豎向變形隨著距離隧洞輪廓面的增大而減小,其豎向變形分布在0.5 mm～0.6 mm 區間內。因此在施加錨桿時,可依據此選取錨固長度。