小断面水工隧道成洞质量影响的数值研究

李 星

（新疆伊犁河流域开发建设管理局,新疆 伊宁 835000）

0 引言

针对小断面水工隧道施工工程中引发的坍塌、沉降等问题,目前研究者们已经做了大量研究。杨俊生等[1]以某水电站为研究背景,采用数值分析的研究方法,探讨了小断面隧道圆形和马蹄形截面的开挖技术,在此基础上,胡本雄等[2]同样就隧道断面形式进行了比较分析。刘泽等[3]就小断面隧道的爆破参数等进行了研究分析,并将其优化设计用于实际工程。冯依赞等[4]采用试验分析的研究方法,针对小断面隧洞的硬质围岩爆破工程参数进行了具体的分析。曹宏新等[5]基于实际工程研究背景,就小洞径隧道的开挖以及施工技术进行了优化改进处理。余永强等[6]采用数值模拟的分析方法,研究分析了某实例隧道开挖过程中的围岩强度变化情况以及隧道成洞质量。祝云华等[7]采用数值模拟的分析方法,就软弱围岩下的隧道开挖质量以及围岩稳定性进行了研究。类似地,石坚等[8]采用数值分析方法就隧道开挖过程进行了研究分析。

综合上述研究,研究者们就隧道开挖以及围岩稳定性问题进行了大量丰富的研究并取得了丰硕的成果,在此基础上,本文采用FLAC3D 有限元分析软件建立三维隧道模型,研究分析强弱参数下扰动层围岩和隧道衬砌的位移以及应力变化特征,并就隧道成洞质量进行分析。

1 工程概况

本研究将实例工程隧道的某一地段作为研究对象,其背景工程实地地形见图1,该区位属于亚热带季风气候区域,干雨季分明,四季区分不明显。隧道总长为2036.78 m,围岩稳定性较差。本文选取隧道DS6+500.25～DS6+856.31 地段,该地段地质构造多样化并且穿过山谷等复杂地形,隧道的顶部岩层厚度为5 m～20 m,主要岩层分布为石英砂岩,泥岩,泥质粉砂岩以及粉质砂岩,岩层的倾角为43°。由于地形地貌和浅埋的复杂岩层影响,在隧道施工过程中出现了坍塌事故,其塌方现场见图2。因此,为保证理想的施工质量,本研究基于工程背景选取该地段50 m 范围作为研究对象,研究分析在隧道成洞质量不同的条件下隧道的围岩稳定性影响。

图1 工程背景实地地形图

图2 隧道塌方现场图

2 计算模型

本节利用FLAC3D 建立了隧道计算模型,该模型总共划分了38649 个节点和195624 个单元,其模型图见图3。模型的地基尺寸取为50 m×40 m×40 m,其中,隧道上方岩层厚度为5 m,风化土层厚度为3 m。隧道内径为3.5 m,衬砌厚度0.4 m,质量为2500 kg/m3,杨氏模量为3.65×104MPa,泊松比为0.167。具体的岩层物理参数在表1 中给出。隧道开挖工况共分为25 步,其开挖循环进尺为2.0 m,且每开挖循环一次均对隧道周边的岩层弱化参数进行计算。

图3 隧道计算模型图

表1 各岩层物理力学参数

3 结果分析

本节选取了隧道开挖进行至15 步时以及隧道完全开挖完成,即第25 步两种工况条件进行围岩断面扰动层以及隧道衬砌的相关变化特征进行研究。主要分析在强弱参数条件下,扰动层围岩和隧道的沉降位移变化规律和围岩与隧道衬砌的有效应力大小变化特征。

3.1 扰动层和隧道沉降位移分析

本节选取了隧道开挖至第15 步时围岩断面强弱参数和扰动层沉降进行研究。其具体的位移沉降数据在表2 中给出,图4 为对应的沉降分布曲线。由图4 和表2 可知,围岩断面沉降隆起值随着黏聚力的弱化而增大,其中,强、弱参数下沉值的增幅比值为1.34～23,最大增幅比在距离隧道洞口位置20 m 处；扰动层隆起值的增幅比值为1.17～78,最大增幅在距离洞口23 m,即谷底处达到。当扰动层的围岩强度参数加强后,扰动层的隆起值不断减小；反之,爆破等影响因素导致隧道围岩的扰动层强度参数减小后其隧道围岩位移沉降值不断增大,在山谷和谷底处变化最显著。因此,在实际施工过程中,当围岩岩性较差时,应当注意开挖工作面的及时封闭以及隧道的及时支护。

图4 开挖至15 步时围岩断面强、弱参数扰动层沉降位移曲线

表2 开挖至15 步时围岩断面强、弱参数和扰动层沉降统计表

开挖要完成时的围岩典型断面强弱参数和扰动层沉降结果见表3 和图5,由图表可知,对比强弱参数扰动层条件下的围岩断面沉降最大位移不难发现,弱参数条件下的围岩最大位移较大。这一结论与上述工况结果类似,但是在山谷谷底位置的区域内最大位移对比并不明显。

表3 开挖要完成时围岩断面强、弱参数和扰动层沉降统计表

图5 开挖完成时围岩断面强、弱参数扰动层沉降位移曲线

3.2 扰动层和隧道衬砌应力分析

本节同样选取了开挖至15 步时的围岩断面有效应力进行对比分析。其具体的最大有效主应力分布见表4,图4 为对应的应力分布曲线。由图表可知,随着距离隧道洞口距离的增大,强弱参数条件下扰动层围岩和隧道衬砌的拉压应力均增大。当弱化扰动层的粘聚力后,围岩断面与隧道衬砌的有效应力呈现缓慢增大的现象,其中拉应力的增幅比值范围为1.74～2.05；压应力的增幅比值范围为1.16～8.39。扰动层的围岩强度增强后,其拉、压应力不断减小,与弱参数条件下的应力相比,其压应力的减小幅值为48.76%～57.41%；拉应力的减小幅值为11.91%～86.24%。由此可以得知,随着隧道围岩扰动层强度参数的增大,围岩和隧道衬砌结构的有效应力不断减小,其中,拉应力的减小幅值较为显著；反之,由于爆破等影响因素导致隧道围岩强度参数弱化则使得围岩和隧道衬砌的有效应力增大并出现应力集中现象,从而导致隧道坍塌和地面沉降的危害。因此,在岩性较差的山谷地段更容易发生大型塌方事故,在实际工程中,在对岩性较差地段进行开挖时应当及时对隧道以及地面进行支护从而确保施工安全有序地进行。

表4 开挖至15 步时围岩断面有效应力统计

图6 开挖至15 步时围岩断面有效应力分布

表5和图7 给出了隧道开挖至25 步,即开挖要完成时,强弱参数条件下围岩典型断面的应力特征分布,由图表可知,山谷地段和隧道周边围压有效应力随着扰动层强度参数的增大而减小,并且拉应力的减小幅值更大。随着岩层强度参数由于爆破等影响因素导致的强度弱化,四道围岩的结构应力不断增大,从而造成应力集中的现象。因此,对应地段的围岩出现坍塌和地面沉降,更有甚者出现大面积的地面塌方,导致在建隧道出现坍塌事故。针对这种问题,在实际工程中应当注意施工开挖工作面的加固和及时支护工作。

图7 开挖要完成时围岩断面有效应力分布

表5 开挖要完成时围岩断面有效应力统计表

4 结论

本研究以某实例小断面隧道工程为研究背景,采用数值模拟的分析方法,研究分析了隧道开挖至15 步和25 步两种不同工况下的围岩扰动层典型断面和隧道衬砌的沉降位移以及有效应力的变化规律。

（1）当开挖至15 步时,随着扰动层的围岩强度参数增加；扰动层的隆起值不断减小；反之,隧道围岩的扰动层强度参数减小后,隧道围岩位移沉降值不断增大；开挖要完成时,对比强弱参数扰动层条件下的围岩断面沉降最大位移可知,弱参数条件下的围岩最大位移较大。

（2）当开挖至15 步时,随着隧道围岩扰动层强度参数的增大,围岩和隧道衬砌结构的有效应力不断减小；反之,隧道围岩强度参数弱化使围岩和隧道衬砌的有效应力增大并出现应力集中现象；当开挖要完成时,强弱参数条件下山谷地段和隧道周边围压有效应力随着扰动层强度参数的增大而减小；随着岩层强度参数的弱化,围岩的结构应力不断增大。

（3）当围岩岩性较差时,地段的围岩容易出现坍塌和地面沉降导致在建隧道出现坍塌事故；在实际施工过程中,应当注意开挖工作面的及时封闭以及隧道的及时支护从而确保施工安全有序地进行。