引水隧洞下穿對既有路塹邊坡位移影響研究

穆明垚

(北京市密云區水務局，北京 101500)

1 概 述

隨著地下工程的建設，引水隧洞得到廣泛應用，對此學者們進行了大量的研究[1]。顧博凱[2]采用數值模擬的方法，研究了雙拱隧道在施工時的變形與應力狀態。結果表明，隧道拱底與右洞區域容易出現應力集中現象，設計施工方案能夠保證隧洞豎向位移滿足安全要求。楊楠等[3]采用有限元方法，分析了某引水隧洞內某塌方處進行治理與否條件下的應力狀態。結果表明，隧洞塌方不會馬上造成隧洞破壞與山體失穩，但建議采取適當支護。安衛龍[4]以某引水隧洞爆破實際情況為例，研究了引水隧洞中光面爆破的施工技術，分析了爆破工藝與爆破技術。結果表明，爆破過程中參數及工藝的選擇應結合引水隧洞實際情況，并加強人員的監測。李國玉[5]采用ABAQUS軟件，研究了不同水頭強度對襯砌和環向螺栓的影響。結果表明，管片變形由下到上逐漸增加，整體以壓應力為主，且受體主要為隧洞圍巖。鄭明新等[6]采用Flac3d軟件，研究了雙洞隧道下穿對鐵路線路的影響，并模擬分析了路基加固與否兩種條件下的沉降變形。結果表明，兩隧洞中間位置出現最大沉降，是否進行路基加固對沉降變形影響較大。劉方亮[7]采用2D軟件FEM，研究了3個數值單元的支護系統的穩定性。結果表明，隧洞質量指數方法對于前兩個數值單元應用較好，而巖體分級方法對第三種數值單元應用較好。

綜合以上研究可以看出，目前對引水隧洞的數值模擬研究多停留在對其自身穩定性及結構措施方面，而引水隧洞下穿對既有邊坡變形的影響幾乎沒有。鑒于此，本文依托貴陽市某新建引水隧洞案例，采用Flac3d數值模擬軟件，研究新建隧洞下穿對既有路塹邊坡變形的影響。

2 工程概況

2.1 工程概況

新建引水隧洞穿越某公路路塹邊坡正下方，引水隧洞全長100m，最大埋深約54m。公路左邊邊坡高26m，右側邊坡高32m，邊坡坡率為1∶1.25。根據地質勘查結果，項目區自上而下依次分布有強風化砂巖、弱風化砂巖和泥質砂巖，巖土體物理力學參數見表1。公路與隧洞布置情況見圖1。

表1 路塹邊坡巖土體物理力學參數表

圖1 新建引水隧洞與路塹邊坡位置圖

2.2 數值模擬方案設計

為研究修建引水隧洞整個過程對路塹邊坡的變形影響，將隧洞開挖分10步進行，每步開挖10m。同時,在路塹邊坡的左右坡腳處設置監測點，以驗證本文數值模擬的有效性。

3 數值模擬與結果分析

3.1 模型建立與選擇

根據該隧洞地勘報告資料及工程設計圖，確定模型的尺寸及引水隧洞的位置與大小，采用四面單元并結合犀牛軟件進行建模，最后導入Flac3d軟件生成數值模型。模型尺寸為190m×100m×98m，模型共計32 546個單元和28 325個節點，數值模擬采用Mohr-Coulomb模型。

3.2 引水隧洞開挖對既有路塹邊坡整體位移的影響

圖2為新建引水隧洞后的路塹邊坡整體變形云圖。由圖2可知，隧洞整體呈現擠壓變形，頂部擠壓變形較大，整體呈現“條帶狀上凸型”，數值約為595mm，隧洞底部呈現回彈變形，數值約為345mm。路塹邊坡左側位移所受影響較小，主要原因是因為左側邊坡距離隧洞較遠。而右側邊坡變形較大，整體呈現自坡頂到坡腳位移逐漸減小的趨勢，位移范圍在38～210mm。

圖2 隧洞下穿對邊坡整體位移影響

3.3 引水隧洞開挖對既有路塹邊坡水平位移的影響

圖3為引水隧洞開挖結束后的邊坡水平位移云圖。由圖3可知，路塹右側邊坡水平位移呈現從坡頂到坡腳位移逐漸減小的規律，坡頂最大水平位移約109mm，坡腳水平位移較小，僅有29mm；路塹左側邊坡水平位移基本為0mm。分析數值模擬結果可知，路塹左側邊坡由于距離引水隧洞較遠，受隧洞開挖影響較小，基本不產生水平位移。而路塹右側邊坡受隧洞開挖影響較大，整體產生較大的水平位移，邊坡坡頂有較大的失穩風險。由圖3亦可知，引水隧洞開挖后，隧洞的最大水平位移處位于隧洞的左上、左下、右上和右下處，數值約為83mm，且位移云圖呈對稱分布。

圖3 引水隧洞開挖后邊坡水平位移云圖

結合數值模擬結果可知，在引水隧洞施工時，應加強路塹右側邊坡坡頂的水平位移監測，防止坡頂出現破壞失穩現象，同時應及時對引水隧洞進行支護措施。

3.4 引水隧洞開挖對既有路塹邊坡豎向位移的影響

圖4為引水隧洞開挖對既有邊坡豎向位移的影響。由圖4可知，路塹右側邊坡出現較大豎向沉降位移，整體呈現由坡頂到坡腳位移逐漸減小的趨勢，坡頂最大沉降位移約為182mm，坡腳處沉降位移約為26mm。路塹左側邊坡整體沉降位移較小，坡角處沉降位移最大，約為4mm。由圖3亦可知，引水隧洞頂部出現較大沉降位移，數值約為400mm，隧洞底部出現較大上拱位移，數值約為100mm。

圖4 引水隧洞開挖后邊坡豎向位移云圖

結合數值模擬結果可知，引水隧洞開挖對路塹左側邊坡的位移較小，可以忽略對其產生的影響。路塹右側邊坡坡頂沉降位移較大，可適當采用錨桿進行加固，減小坡頂失穩的風險。同時，應在隧洞開挖時，及時對隧洞頂部及底部進行支護，防止隧洞出現塌方。

3.5 右側邊坡位移隨開挖步數變化規律研究

圖5為路塹右側邊坡坡面水平變形受引水隧洞開挖影響的變化規律圖。不難看出，坡面距坡腳不同位置處的水平位移不同，距離坡頂越近，水平位移越大。同時，坡面水平位移隨開挖步數的增加而增大，且離坡頂越近，變形速率越大，遠離坡頂處變形速率較小。坡面整體呈現位移先快速增加后趨近平緩的變化規律。

圖5 右側邊坡坡面水平位移圖

圖6為路塹右側邊坡坡面豎向變形受引水隧洞開挖影響的變化規律圖。由圖6可知，邊坡變形速率自坡頂至坡腳逐漸增加，原因是坡頂距離引水隧洞最遠，隧洞開挖對坡頂的影響較為滯后。但坡頂的沉降位移在第六步開挖后開始快速增加，并最終達到128mm。因此，在隧洞開挖時，應加強坡腳、坡頂處水平和豎向位移監測。

圖6 右側邊坡坡面豎向位移圖

3.6 模擬結果與監測數據對比分析

在兩側路塹邊坡坡腳處設置監測點，采用全站儀進行監測，圖7為實際監測數據與模擬結果對比圖。分析可知，坡腳處位移整體呈現先緩慢增加后快速增加最后趨于穩定的變化規律。數值模擬的隧洞位移為28mm，較監測數據小4mm，兩者相對誤差為14%。產生誤差的原因可能是數值模擬忽略了巖體之間的裂隙以及地層所受的構造應力，而從數據上來看，本文數值模擬與實際監測結果基本相符，具有一定的有效性。

圖7 監測數據與數值模擬數據對比圖

4 結 論

本文以某新建引水隧洞為研究對象，采用Flac3d有限元軟件，研究了隧洞下穿對既有路塹邊坡位移的影響，結論如下：

1)路塹左側邊坡受隧洞開挖影響較小，右側邊坡頂部受隧洞開挖影響較大，坡頂產生數值約為109mm的水平位移和182mm的豎向位移，坡腳處位移較小。實際工程中，應加強坡頂處位移監測，可適當采用錨桿進行邊坡加固。

2)引水隧洞開挖后，隧洞頂部和底部出現100和400mm的回彈變形和沉降變形，而在隧洞的左上、左下、右上和右下角出現最大水平位移。因此，在隧洞開挖過程中，應及時施加襯砌，防止隧洞出現塌方破壞。

3)坡腳處位移整體呈現先緩慢增加后快速增加最后趨于穩定的變化規律，兩者相對誤差約14%，表明本文分析方法具有一定的可行性。