双拱引水隧道受力和位移的数值模拟研究

顾博凯

（辽宁凌河水利电力建设有限公司，辽宁 朝阳 122000）

1 引言

隧道工程因其能够极大地缩短路程，节约人工成本和时间成本，在最近几十年被大量运用，对此学者们进行了大量的研究。李彬等[1]研究陕南隧道地应力情况，获得了隧道地应力分布特征，由地应力的情况可对隧道的设计和施工提供重要的参考。曾开华等[2]建立了理想弹塑性围岩的统一解，继而对统一解进行讨论与应用，研究结果表明：所得塑性统一解合理地反映隧道的受力特征，具有一定理论意义。许有俊等[3]通过数值模拟，研究隧道接头橡胶圈的受力特性，研究结果表明：橡胶圈安装力随距离的增加，受力会变化。陈文旭[4]针对广州地区隧道价格指导文件多而不全问题，对该类问题进行深入调研与分析，建立起一套隧道工程计价方法，工程应用案例表明，该定价方法工程实用性强。程霖等[5]建立了考虑双层弹簧弹性地基梁模型，利用数值模拟验证了模型的可行性，研究结果表明：该方法计算得到的管线沉降和弯矩比更加符合工程实际。王玥等[6]为解决隧道工程注浆问题，试验应用偏铝酸钠改性水玻璃浆液，实践表明:偏铝酸钠改性水玻璃浆液可注性好。杨钊等[7]以福州某隧道工程为例，研究隧道结构开裂的原因，并得出结论：试验段管廊施工时，管廊地基土体出现流失是造成隧道结构开裂的主要原因。武世燕等[8]对岩溶区隧道突涌水进行了分析，并推导出不考虑溶腔体积时的最优设计厚度表达式。汪平[9]比较分析了国内外高速铁路隧道仰拱栈桥运行方式和优缺点，提出了全弧模板和中心水沟模板一体化设计方案。实践证明：此新型栈桥操作更安全、更方便。唐再兴[10]研究隧道管片防水性能问题，建立数值模型，探究不同工况对于弹性密封垫防水性能的影响，结果表明：三元乙丙橡胶性密封垫防水性能较好。然而以上的研究并没有分析双拱引水隧道在施工过程中的受力和位移，因此本文结合一具体双拱隧道工程，利用数值模拟对隧道的受力和位移进行研究。

2 工程概况

该工程属于引水隧道工程，隧道全长182 m，暗洞段长146 m，隧道口最大埋深26 m，地质条件为V级围岩，最大开挖跨度32 m，属于软弱围岩大跨隧道。隧道的受力特征见图1。

图1 隧道受力示意图

经过地质勘察隧道区域岩土体从上至下依次为风化土、风化岩和硬岩，岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

数值模拟采用MIDAS GTS，见图2，数值模拟隧道研究区域450 m×320 m×160 m（长×宽×高），因为所建隧道区域为不规则的形状，结合以往数值模拟经验和施工经验可知，此研究区域的选择是合理的。结合隧道受力将隧道的受力和二衬结构展示见图3。

图2 隧道立面图（单位：m）

图3 二衬和隧道的受力示意图

3.2 模型的属性

风化土体本构模型采用莫尔库仑，风化岩和硬岩采用的是弹性本构，二衬采用梁单元，梁单元采用钢的属性，锚杆采用植入式桁架单元。数值模拟在隧道区域每1 m划分一个单元，以便对隧道区域进行更为精确的计算，岩土体区域每2.5 m划分一个单元，以便提高计算的速度，为保证网格划分的有效性，统一采用混合四面体网格进行划分。数值模拟共计398012 个单元，452026 个节点。

3.3 模拟的结果

数值模拟计算至引水隧道最大不平衡力与平衡力比值达到1×10-6时停止，模拟结果选取引水隧道的竖向位移、第一主应力和第三主应力，见图4～图6。

图4 引水隧道竖向位移（单位：m）

图6 引水隧道所受第三主应力（单位：kPa）

引水隧道开挖完成以后，隧道的竖向位移见图4。由图5可知，隧道最大竖向位移为3.4 mm，因为此位移所占比例仅为1.8%，且仅集中于拱底，由于此位移不超过5 mm，且所占比例不大，可认为此位移是在工程允许的范围内，不会对工程造成不良影响。不超过12%的岩土体位移控制在5 mm以内，且位移较大处主要集中于拱底，说明施工过程中拱底是需要防治的重点。引水隧道拱底处主要是沉降变形，上方主要是隆起变形，因隆起量大多不超过1 mm，也在可控制的隆起范围内，满足工程稳定性要求。另一方面绝大多数岩土体的位移不超过1 mm，说明隧道的设计是满足要求的。

图5 引水隧道所受第一主应力（单位：kPa）

引水隧道所受的第一主应力见图5。由图6可知，隧道周围所受第一主应力值最大，数值最大为7.1 kPa，此应力仅占0.9%，主应力超过2.4 kPa的岩土体所占比例也不超过10%，说明开挖不会对周围岩土体的受力造成应力集中，受力较为均匀，也在工程允许的范围内。

第一主应力集中区域位于开挖隧道附近，说明开挖过程中确实对周围岩土体造成了一定程度的扰动，因此在施工过程中，应当严格按照施工要求和进度进行开挖支护，以防止出现应力集中的现象。

引水隧道所受的第三主应力见图6。由图6可知，隧道周围所受第三主应力值最大，数值最大为1.9 kPa，此应力仅占0.8%，主应力超过0.8 kPa的岩土体所占比例也不超过12%，同样说明开挖不会对周围岩土体的受力造成应力集中，受力较为均匀，也在工程允许的范围内。第三主应力集中区域位于开挖隧道附近，说明开挖过程中确实对周围岩土体造成了一定程度的扰动，尤其在右洞右侧，第三主应力值明显较左洞左侧值大，说明在隧道开挖过程中，尤其应当注意对右侧支洞的防护，及时做好锚杆和相应的防护措施，以保证右侧支洞的施工安全。

3.4 数值模拟总结

（1）引水隧道开挖完成以后，竖向位移控制在合理范围内，隧道拱底以下主要为沉降变形，拱顶以上主要为隆起变形，但以上变形量均控制在合理范围内，不会对工程造成安全隐患。

（2）由第一主应力可知：拱底处所受的第一主应力数值较大，但是所占比例不大，说明开挖过程中确实对周围岩土体的受力造成了一定的影响，由此可知，应当严格按照施工要求进行施工，避免施工不当造成隧道受力过大，而导致影响工程事故安全的事情发生。

（3）由第三主应力可知：引水隧道所受第三主应力值均控制在合理范围内，不会对周围岩土体的受力造成一定的影响，隧道右侧区域所受第三主应力明显较左侧大，因此应当尤其注意右侧区域的防护。

4 结论

本文结合一引水隧道开挖项目，进行了数值模拟的研究，研究结果表明：

（1）隧道开挖后竖向位移均控制在合理范围内，说明隧道的支护措施和方案是合理有效的；

（2）隧道数值模拟第一主应力和第三主应力数值可知，施工对周围岩土体的受力造成一定的影响，但是此影响均在可控范围内，同时应当注意隧道右侧和拱底处的防护，严格按照施工要求进行施工，以保证开挖的安全；

（3）本文的研究暂时没有考虑地震工况条件下，引水隧道的受力和位移特征，此方面的影响有待进一步深入研究。