循環(huán)開挖下的水工隧道成洞質(zhì)量數(shù)值研究

孫顯聰

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311100)

0 引 言

水工隧道按其作用方式分為有壓水工隧道和無壓水工隧道兩種，集發(fā)電、通航、輸水等功能為一體，是水利樞紐的重要組成部分[1-2]。水工隧道的修建雖然在完善水利樞紐功能、提供社會便利方面上起到不可或缺的作用，但在施工過程中存在的問題仍然需要引起重視[3]。如在小斷面水工隧道施工工程中，由于施工技術(shù)要求較為嚴格，以及需要考慮地基沉降等多種內(nèi)外部因素，加之水工隧道本身在復雜環(huán)境中危險性較高，因此往往導致水工隧道出現(xiàn)沉降、變形甚至坍塌等現(xiàn)象[4]。尤其在土質(zhì)、巖質(zhì)承載能力較弱或水下區(qū)域受力較為復雜的區(qū)域，由于土質(zhì)、巖質(zhì)較為松散，在水工隧道開挖施工中往往難以進行有效開挖以及隧道的支護。因此，只有在開挖前對其所在區(qū)域的地質(zhì)、巖體類別、最大承載力等關鍵參數(shù)進行準確設計，才能避免對水工隧道施工產(chǎn)生的影響[5]。但在實際工程中，由于不同地域地質(zhì)環(huán)境、巖體類別等不同，往往導致實際過程中針對水工隧道開挖支護的參數(shù)設計在浪費大量人力物力的同時，其實際應用效果得不到保證。

為此，許多學者通過數(shù)值分析方法對水工隧道進行研究。如李燕波[6]針對新疆某引水隧道，采用ANSYS建立熱-固耦合模型，并對伴有高溫熱害的隧道結(jié)構(gòu)受力特征進行分析，發(fā)現(xiàn)通過在圍巖與混凝土之間設置隔熱層能夠有效避免結(jié)構(gòu)因受熱發(fā)生的變形，來滿足工程對安全性的要求。卞康[7]在連續(xù)介質(zhì)理論及彈性損傷理論的基礎上，提出一種可以應用于高壓水工隧道估算滲水量的方法，并通過該方法建立的模型與高壓隧道的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)隧道的滲水量與襯砌裂縫開度存在一定的相關性，且在隧道尚未形成明顯滲漏通道的情況下，研究結(jié)果與實測結(jié)果相關性較高。雖然上述研究針對水工隧道的施工穩(wěn)定性進行了大量論證，但鮮有研究涉及具體開挖過程中的支護參數(shù)設計等方面。

本文以某地實際工程中的隧道某標段為研究對象，采用三維有限元模擬軟件FLAC3，對該隧道在不同開挖循環(huán)周期下的擾動和沉降位移等參數(shù)進行研究分析，為實際工程中水工隧道的支護設計與質(zhì)量把控提供一定的理論參考依據(jù)。

1 工程概況

本文研究的水工隧道位于某市東北部，該水工隧道屬于水庫A，水庫所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L濕潤氣候，全年降雨量較為充沛。其中，水庫控制的徑流面積18.83km2，2018-2021年監(jiān)測到的平均徑流量為425.9×104m3。該水庫所在壩區(qū)的河流流域面積為19.2 km2，其中主河道全長5.99km，各支流的河道平均坡度為0.52%。流域區(qū)域總體呈扇形分布，其中流域所在區(qū)域最高海拔為2198m，最低海拔為水庫所在區(qū)域的1 424m。根據(jù)當?shù)貧庀缶?018-2021年的資料顯示，庫區(qū)每年最高氣溫在7-9月份，溫度30℃～35℃；3年間每年最低氣溫主要集中在11月份至次年1月份，溫度5℃～10℃。該水工隧道全長為1 860.5m，本文主要研究該水工隧道的DM5+400.8～DS5+751.3標段。

水工隧道所在庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為豐富，地形較為復雜，地表完整，基巖裸露于地表之上。其中，位于隧道頂端的巖體厚度為8～16m，地質(zhì)構(gòu)成主要為白堊系上統(tǒng)江底黃褐色粉砂巖段，主要包含黃褐色泥巖、黃褐色粉砂泥巖、黃灰色以及灰綠色泥巖石英砂巖與泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖。隧道所在區(qū)域巖層傾角較小，為22°～32°。水工隧道的輸水隧道位于水庫A左岸的上游，距離主壩區(qū)166.4m。隧道的進出口部分巖體較為穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。但在隧道外部裸露與地表的巖體表現(xiàn)為強風化特征，總體完整性較差，節(jié)理裂隙中未發(fā)現(xiàn)其他填充物，該標段的地表裸露巖體差異性風化較為顯著，屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

2 研究方法

2.1 模型建立

本文利用三維有限元模擬軟件FLAC3D，在結(jié)合具體工況的情況下對隧道計算模型進行建模，模型地基尺寸選取60m×50m×50m。在該尺寸下，邊界范圍控制在引水隧道高度的5倍，可有效控制邊界效應影響效果。模型共包含35 548個節(jié)點與186 564個單元，其中位于水工隧道上方的巖體厚度控制在4.5m，隧道直徑設置為3m，隧道上方風化層厚度設置為2.5m，隧道內(nèi)部的襯砌厚度設定為0.3m，隧道內(nèi)部襯砌每立方米質(zhì)量為2 500kg，楊氏模量設為3.2×104MPa。隧道的開挖掘進方式為循環(huán)開挖模式，其工況共分為25步進行模擬，循環(huán)開挖過程中進尺為1.5m，在總體工況下的循環(huán)開挖中，每次循環(huán)之后需要對隧道內(nèi)部的巖體弱化值進行計算。隧道三維計算模型見圖1。

圖1 隧道三維計算模型

2.2 各參數(shù)值確定

隧道上方各巖體類型及設置的物理參數(shù)見表1。

表1 各巖體類型及設置的物理參數(shù)指標

2.3 ALE模擬算法

針對水工隧道的開挖與支護，為了避免單元出現(xiàn)畸形現(xiàn)象而導致的計算停止等問題，本文采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)法對其進行求解，該方法對各巖層之間力的耦合動態(tài)研究具有較好效果。針對ALE法，首先需要確定方程，進行顯示Lagrangian計算；其次，通過顯示Lagrangian進行迭代計算，分解其初始值與分量；最后對模型進行重新網(wǎng)格劃分，求解并確定各網(wǎng)格之間的分量大小。基于ALE構(gòu)建方程，由Gauss定理以及非連續(xù)介質(zhì)理論，可以確定t時刻對應的物理量積分計算式為：

(1)

式中：ξ為參考線；Ωξ為物質(zhì)的點體積；ɡ(ξ，t)為t時刻對應的物理量。

而在t時刻的Euler坐標系下的物理量積分計算式表示為：

(2)

式中：x為參考線；Ωx為物質(zhì)的點體積；ɡ(x，t)為t時刻對應的物理量。

在式(1)和式(2)計算過程中，兩式之中的物質(zhì)點體積Ωξ、Ωx會隨著時間的變化而發(fā)生變化。因此上述兩式可表示為：

(3)

(4)

3 結(jié)果分析

3.1 隧道沉降分析

由于將工況分為25步進行模擬，若逐步分析工作量巨大。因此，本文選取具有代表性的第15步和第25步工況進行分析，其中第25步工況代表開挖完成時的工況。基于此兩種工況，針對隧道中的擾動層及襯砌的相關變化，對擾動層和襯砌在強參數(shù)和弱參數(shù)下的沉降及應力變化特征進行總結(jié)分析。首先針對擾動層及隧道的沉降進行分析，本文選取開挖至第15步工況時的擾動層強參數(shù)及弱參數(shù)下的沉降變化數(shù)據(jù)，并繪制出開挖至第15步工況時的不同參數(shù)下擾動層沉降曲線。見圖2。

圖2 開挖至第15步工況時的不同參數(shù)下擾動層沉降曲線

由圖2可知，以隆起值變化特征來看，隨著黏聚力的增大，沉降隆起值會隨之減小，且在隧道道口附近時沉降隆起值降幅為最低。對比巖體不同參數(shù)可知，弱參數(shù)值下，隧道沉降位移普遍偏高，在巖體強度參數(shù)值提升后，在強參數(shù)下擾動層的沉降會逐漸減小。該結(jié)果表明，在實際水工隧道開挖過程中，巖體強度較弱時，在開挖面應進行支護措施和工作面的封閉施工。

為了完整考慮隧道在施工過程中的擾動層及沉降變化特征，還需對開挖完成時的隧道擾動層沉降位移進行分析。因此，本文選取完成時(第25步工況)的隧道巖體擾動層強參數(shù)及弱參數(shù)下的沉降變化數(shù)據(jù)，并繪制出開挖完成時的不同參數(shù)下擾動層沉降曲線。見圖3。

圖3 開挖完成時的不同參數(shù)下擾動層沉降曲線

從圖3中可以看出，同開挖至第15步工況時的變化特征類似。在對比巖體不同參數(shù)可知，弱參數(shù)值下，隧道沉降位移普遍偏高；在巖體強度參數(shù)值提升后，在強參數(shù)下擾動層的隆起值會逐漸減小，但隨著距隧道洞口距離越遠，不同參數(shù)值下的沉降位移會逐漸接近，區(qū)別逐漸不顯著。

3.2 隧道襯砌的應力分析

為了探究隧道沉降的內(nèi)在機理，需要針對擾動層及隧道襯砌的應力變化進行分析。本文選取開挖至第15步工況時的擾動層及隧道襯砌在強參數(shù)及弱參數(shù)下的應力變化數(shù)據(jù)，并繪制出開挖至第15步工況時的不同參數(shù)下擾動層及襯砌應力變化曲線。見圖4。

從圖4中可以看出，隨著距隧道洞口距離的增加，不同參數(shù)下的壓應力呈現(xiàn)出增長的趨勢，但增長幅度較小，而拉應力呈現(xiàn)出降低的趨勢，整體降幅相較于壓應力較大。對比同一應力下的強弱參數(shù)變化特征可以發(fā)現(xiàn)，在弱參數(shù)下，拉壓應力均處在較大水平；而在參數(shù)得到加強后，應力水平均大幅降低，且拉應力最為顯著。該現(xiàn)象表明，在巖體強度較差的地段，發(fā)生坍塌概率較大。因此，在巖體強度較差的地段需及時進行支護，保障后續(xù)施工。

圖4 開挖至第15步工況時的不同參數(shù)下擾動層及襯砌應力變化曲線

為了對開挖完成時的擾動層及襯砌應力變化進行分析，本文選取完成時(第25步工況)的擾動層及襯砌在強參數(shù)及弱參數(shù)下的應力變化數(shù)據(jù)，并繪制出開挖完成時的不同參數(shù)下擾動層及襯砌應力變化曲線。見圖5。

圖5 開挖完成時的不同參數(shù)下擾動層及襯砌應力變化曲線

從圖5中可以看出，隨著距隧道洞口的距離增加與參數(shù)值的增強，相較于壓應力，拉應力的總體減小幅度更大，且隨著參數(shù)值的弱化，會導致巖體周圍出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。因此，該區(qū)間段的巖體出現(xiàn)沉降坍塌的可能性較大。

4 結(jié) 論

本文以某地實際工程中的隧道某標段為研究對象，采用三維有限元模擬軟件FLAC3D，對該隧道在不同開挖循環(huán)周期下的沉降位移及應力等參數(shù)進行研究，并通過對第15步及第25步工況下的沉降及應力變化趨勢進行分析。結(jié)論如下：

1)在開挖至第15步工況時，弱參數(shù)值下，隧道沉降位移普遍偏高；在巖體強度參數(shù)值提升后，在強參數(shù)下，擾動層及隧道的沉降量會逐漸減小。

2)開挖至第15步工況時，不同參數(shù)下的壓應力呈現(xiàn)出增長的趨勢，但增長幅度較小；而拉應力呈現(xiàn)出降低的趨勢，整體降幅相較于壓應力較大，且在弱參數(shù)下，拉壓應力均處在較大水平；而在參數(shù)得到加強后，應力水平均大幅降低，且拉應力最為顯著。

3)在實際水工隧道開挖過程中，針對巖體物理性質(zhì)較差的地段，在開挖面必須采取支護措施和工作面的封閉施工。