双拱引水隧洞在不同工况下竖向位移的数值模拟研究

毛远辉，侯付闯

(1.新疆水利水电规划设计管理局，乌鲁木齐 830000；2.陕西中凯恒瑞工程项目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

随着水利引水工程的大量建设，不可避免出现越来越多的隧洞工程，对此学者们进行了大量的研究。王阅章[1]依托某隧洞工程，研究了不同超前小导管管径对隧洞地表沉降的影响，研究结果表明外插角对地表沉降影响最密切。陈福勇等[2]结合随机场理论，提出了大尺度三维随机场生成方法，结果表明随机场计算得到的隧洞失效概率小于传统的计算方法。冉建西等[3]描述了阵列式位移法在盾构隧洞施工期中的运用，认为该位移法可解决盾构机与观测工作之间的矛盾。王炼[4]介绍了两个围堰工程的设计结构及其施工过程，并提出钢桩设计改进方法。贾元霞[5]针对傍山浅埋偏压隧洞工程施工问题，提出放坡明挖、支挡明挖方案。研究结果表明，护拱暗挖进洞方案中开挖及防护工程量小，满足工程实际需求，值得大力推广。于兴达[6]认为浅埋暗挖法隧洞施工技术是目前较为先进的施工技术，并对该技术的关键控制因素进行了分析，最后提出了进一步的优化建议。孙江涛[7]认为在隧洞支护施工中，“超前大管棚+小导管注浆”应用前景较好，结合该方法本文提出了许多建议。林海秋[8]针对隧洞施工中存在的地质灾害处理技术水平不高的问题，提出了多种地质灾害处治措施，该处治措施可为同类隧洞灾害处治提供参考。

由于以上研究均未分析双拱引水隧洞在不同工况下的竖向位移变化，因此本文结合某具体双拱隧洞工程，利用数值模拟对不同工况下的隧洞位移进行研究，以期为类似的隧洞工程提供参考与借鉴。

2 工程概况

某双拱隧洞工程位于四川省巴中市，属于引水隧洞，隧洞长514 m。结合地勘资料可知，隧洞所处地层的原始地质面貌是剥蚀残丘、马栏河阶地以及海漫滩。上层覆盖为第四系的素填土层、淤泥质粉质卵石层、黏土层、冲洪积层、坡洪积层，下伏青白口系细河群桥头组、震旦系长岭子组板岩和石英岩的互层，局部存在中生代的燕山期辉绿岩层的侵入。

经过地质勘察，隧洞区域岩土体从上至下依次为风化土、风化岩和硬岩。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

数值模拟采用PLAXIS，数值模拟隧洞研究区域长×宽×高为248 m×124 m×84 m，数值模拟见图1。

图1 引水隧洞模型图(单位：m)

3.2 模型的属性

PLAXIS 3D可提供线弹性模型、Mohr-Coulomb(MC)模型、Hardening-Soil(HS)模型，节理岩石(JR)模型、修正剑桥模型等多种本构模型。结合该隧洞的实际地质情况，选择MC模型。数值模拟中，盾构设备采用板单元进行模拟。隧洞砼型号为C40，砼选择弹性模型，弹性模量为3.45×1010Pa，体积模量为2.81×1010Pa。岩土体和盾构设置的物理力学性质见表1和表2。

表1 岩土体的物理力学性质

表2 盾构设置相关参数

数值模拟共计862 026个节点，688 012个单元，模型计算至最大不平衡力变化率小于1×10-5截止。

选择距离隧洞左线146 m处的断面为典型断面，对隧洞开挖进行以下8种工况的研究：

工况1：左线盾构到达前，即刀盘距离断面8.8 m

工况2：左线盾构到达时，刀盘抵达断面处

工况3：左线盾尾脱出，盾尾到达断面

工况4：左线盾构通过后，即盾尾脱离断面8.8 m

工况5：右线盾构到达前，刀盘距离断面8.8 m

工况6：右线盾构到达时，刀盘到达典型断

工况7：右线盾尾脱出，盾尾抵达断面

工况8：右线盾构通过后，盾尾离开断面8.8 m

3.3 模拟的结果

利用数值模拟进行研究分3种情况，分别为正常施工条件、不利地层损失率条件和有利地层损失率条件。正常施工条件是指按照设计要求正常开挖；地层损失指的是盾构施工中挖土体积和建成隧洞体积之差；地层损失率为占盾构理论排土体积的百分比。不利地层损失率和有利地层损失率均控制在10%以内。

数值模拟结果见图2-表4。

由图2(a)可知，正常控制条件下，工况8的累积沉降最大，接近30 mm，工况左线盾构到达前和右线盾构到达时累积沉降最小。由图2(b)可知，左线盾构通过后的累积沉降最大，占比总沉降53%。

图2 正常控制数值模拟结果

由图3(a)可知，正常控制条件下，工况8的累积沉降最大，接近40 mm，工况左线盾构到达前和右线盾构到达时累积沉降最小。由图3(b)可知，左线盾构通过后的累积沉降最大，占比总沉降54%。

图3 不利地层损失率数值模拟结果

由图4(a)可知，正常控制条件下，工况8的累积沉降最大，接近14 mm，工况左线盾构到达前和右线盾构到达时累积沉降最小。由图4(b)可知，左线盾构通过后的累积沉降最大，占比总沉降48%。

图4 有利地层损失率数值模拟结果

4 结 论

本文结合某引水隧洞开挖项目，对不同工况条件下的隧洞竖向位移进行了数值模拟研究，研究结果表明：

1)正常开挖条件下、不利地层损失率条件下和有利地层损失率条件下，不同的工况最大沉降约为30、40和14 mm，工况8情况下沉降最大。

2)在有利地层损失率条件下进行施工，地层的沉降率明显低于正常开挖和不利地层损失率条件，应当开展有利地层损失率的施工。

3)数值模型仅研究了3种工况下的沉降位移，并没有从受力、工期和安全性条件进行分析，此方面的研究有待进一步深入。