土質(zhì)隧洞長期浸水圍巖參數(shù)及襯砌受力研究

汪啟龍 張衛(wèi)東 李寧

摘 要：地下水位以下土質(zhì)隧洞圍巖穩(wěn)定性評價是關(guān)系到施工安全的重要問題。對于地下水位以下土質(zhì)隧洞，一般均采取緊跟掌子面的支護(hù)方式，采用洞內(nèi)抽水及井點(diǎn)降水措施。遇到抽水不當(dāng)或長期停工時，隧洞完全浸泡，洞周圍巖物理力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。針對此問題，建立數(shù)值模型，該文通過隧洞浸水前后監(jiān)測變形值反演圍巖參數(shù)，利用巖土工程軟件FINAL進(jìn)行襯砌受力分析。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)隧洞 浸泡 數(shù)值模型 圍巖參數(shù) 襯砌內(nèi)力

中圖分類號：TV672.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0032-03

水工隧洞與其它建筑物和構(gòu)筑物不同，建設(shè)要想安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，除了要考慮圍巖變形和穩(wěn)定等一般性問題之外，還要特別考慮水的滲流問題，滲流問題是工程設(shè)計、施工及運(yùn)行管理中的重要問題，所以，重視由滲透引起的隧洞的穩(wěn)定性及安全問題是十分必要的。在隧洞工程中，圍巖的穩(wěn)定性與隧洞的所處地質(zhì)環(huán)境及隧洞建設(shè)，包括開挖方法、支護(hù)形式、襯砌結(jié)構(gòu)類型、隧洞位置、施工管理等息息相關(guān)[1]。在隧道工程施工過程中所進(jìn)行的圍巖變形監(jiān)測，可以有效地獲得圍巖穩(wěn)定性控制所需的關(guān)鍵性宏觀信息[2]。對監(jiān)測的圍巖位移進(jìn)行科學(xué)地預(yù)測預(yù)報，不僅是隧道工程最大限度地實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的關(guān)鍵，也是進(jìn)一步對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計算和反演分析的基礎(chǔ)[3]。數(shù)值分析方法在巖土工程中的廣泛使用，其計算參數(shù)的不易確定性、新奧法施工技術(shù)的應(yīng)用及對其量測位移的重視是其產(chǎn)生的三大背景條件[4]。謝興華等用有限元方法研究了單孔洞隧道周圍水頭場以及襯砌內(nèi)排水孔的布置方案對滲流場的影響[5]。

巖土體及支護(hù)系統(tǒng)長時間在水的浸泡下一方面使得巖土體及支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)一步惡化，同時，降低了土體顆粒間的摩擦系數(shù)和粘聚力；另一方面在土體內(nèi)部形成穩(wěn)定滲流通道，在圍巖內(nèi)產(chǎn)生了指向洞內(nèi)的滲透動水壓力，因此，隧洞浸泡前后的圍巖穩(wěn)定性評價，特別是浸泡后圍巖穩(wěn)定性更是直接關(guān)系著施工的安全順利進(jìn)行，對于工程安全有效實(shí)施具有重要的意義。

1 工程實(shí)例及思路

1.1 工程實(shí)例

輸水工程位于庫爾勒市孔雀河流域境內(nèi)，通過輸水管道和輸水隧洞，為市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水，全長13.7 km。隧洞全長9.221 km（包括10 m的明洞段），其中隧洞土洞段樁號1+130～4+085，縱坡為1/500、斷面形式為：馬蹄形斷面3 m×3 m，巖性為低液限粉（粘）土層及第四系含土碎石、含礫砂層，同時具有較高的地下水位，施工期隧洞成洞條件差。土洞段（樁號1+120 m至4+085 m）共計5個工作斷面，進(jìn)口段（樁號1+130 m），1#豎井（樁號2+220 m）上下游洞段以及2#豎井（樁號3+240 m）上下游洞段。該工程2010年開始施工，2011年9月28日停工，2011年11月15日停止抽水，造成地下水淹沒全洞段，2012年3月13日將洞內(nèi)地下水抽干。

1.2 研究思路

該文根據(jù)輸水隧洞因停工造成洞體及一次支護(hù)完全浸泡前隧洞正常開挖過程中的監(jiān)測變形數(shù)據(jù)（包括丟失變形數(shù)據(jù)），反演洞周土體的物理力學(xué)參數(shù)；根據(jù)浸水后隧洞的變形數(shù)據(jù)，反演長期飽水條件下土體力學(xué)參數(shù)；根據(jù)隧洞浸水情況將隧洞分為長期浸水段進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]長期浸水條件下隧洞由于土體飽和、洞周土體濕化、水化以及滲透動水壓力影響下的運(yùn)行期襯砌的受力狀態(tài)及安全性態(tài)，研究設(shè)計厚度襯砌受力；土體長期流變荷載下的不同厚度襯砌結(jié)構(gòu)受力分析。

2 模型及監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1 計算模型

分析中將巖土體視為彈塑性介質(zhì)，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷圍巖在開挖過中的塑性屈服狀態(tài)；混凝土噴層、襯砌采用BEAM6曲梁單元模擬，采用彈性本構(gòu)模型；錨桿采用BOLT桿單元模擬，按彈性考慮；有限單元網(wǎng)格見圖1所示。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)在進(jìn)口段1+331.0斷面、1#井2+144.7斷面、2#井3+334.0斷面多組數(shù)據(jù)，對該斷面處的土體進(jìn)行了仿真反演分析。浸水前后變形收斂值見表1所示，變形監(jiān)測曲線圖如圖2、圖3、圖4所示。

3 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表2所示。

4 結(jié)論

（1）進(jìn)口洞段，圍巖類別為低液限粉土。累計變形量為3.52 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.4 MPa，最大壓應(yīng)力為6.0 MPa；正常飽水狀態(tài)下，監(jiān)測斷面距掌子面1.5倍洞徑時變形趨于穩(wěn)定。變形和受力分析后，隧洞整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）#豎井洞段，圍巖類別為粉土質(zhì)砂。累計變形量為12.47 mm，由于滲水嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.7 MPa，最大壓應(yīng)力為9.0 MPa；正常飽水狀態(tài)下，監(jiān)測斷面距掌子面1.2倍洞徑時變形趨于穩(wěn)定；不同埋深不同對粉土質(zhì)砂洞段變形量影響不明顯。變形和受力分析后，隧洞整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于滲水嚴(yán)重，仍對洞周土體的整體穩(wěn)定性有較大影響，建議做好降排水及二次襯砌支護(hù)措施。

（3）#豎井洞段，圍巖類別為粉細(xì)砂。累計變形量為47.95 mm，由于滲水嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.1 MPa，最大壓應(yīng)力為11.9 MPa，飽水狀態(tài)下，監(jiān)測斷面距掌子面2.5倍洞徑時拱頂及邊墻變形趨于穩(wěn)定，不同開挖斷面拱頂變形變化差異較大，邊墻變形穩(wěn)定相對滯后。變形和受力分析后，該洞段變形不穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大，局部洞段已處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，須及時采取加強(qiáng)支護(hù)及二次襯砌施做等措施以保證工程安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)寶樹.隧洞工程設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2003：8-58.

[2] 劉懷恒，熊順成.隧洞襯砌變形監(jiān)控及安全預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1992，19（2）：91-99.

[3] 李曉紅，王宏圖，賈劍青，等.隧道及地下工程圍巖穩(wěn)定性及可靠性分析的極限位移判別[J].巖土力學(xué)，2005（6）：850-854.

[4] 陳方方，李寧，張志強(qiáng)，等.巖土工程反分析方法研究現(xiàn)狀與若干問題探討[J].水利與建筑工程學(xué)報，2006（3）：54-58.

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