沭水東調(diào)工程引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程仿真分析

謝 忱，梁其東

（1.山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州266300；2.日照市水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 日照276800）

本文利用Midas 有限元軟件對(duì)沭水東調(diào)工程中引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，由于模擬隧道開(kāi)挖后的時(shí)間較短，暫不考慮滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力分布的影響，簡(jiǎn)化計(jì)算模型，探究引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化情況，為工程開(kāi)挖提供技術(shù)支持。

1 工程概況

沭水東調(diào)工程引水隧洞西起何家村，東至三莊鎮(zhèn)，門(mén)洞形斷面，隧洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)度18.37 km，屬長(zhǎng)距離引水隧洞，該引水隧洞將沭河流域中3 座水庫(kù)中的水引入日照缺水地區(qū)水庫(kù)上游中，極大程度上解決了日照市部分地區(qū)供水困難問(wèn)題。

在整個(gè)引水隧洞區(qū)段內(nèi)，地面高程變化較大，最大高程為690 m，最大高程差可達(dá)562 m。隧洞沿線穿越山巒、溝谷、河流等多種地形，埋深在96～460 m 不等。年平均降水量為860 mm，地下水分布主要包括孔隙水、裂隙水及巖溶水。由于部分區(qū)段巖層較破碎，地下水分布不均勻，地下水易流失。

2 數(shù)值建模

為了更好的了解引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，分析開(kāi)挖過(guò)程引水隧洞圍巖應(yīng)力與位移變化量，利用Midas 有限元軟件對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

首先對(duì)土體進(jìn)行建模，模型選取隧洞沿線12+000～14+000 段四級(jí)圍巖區(qū)域，長(zhǎng)度50 m。引水隧洞開(kāi)挖寬度4.1 m，開(kāi)挖高度4.55 m，根據(jù)相關(guān)理論，建模范圍選取應(yīng)力應(yīng)變影響低于3%的范圍，即為5 倍開(kāi)挖寬度，故模型寬度取42 m，引水隧洞上部巖土體按照現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察情況建立，隧洞底部取23 m 深度。綜上所述，本次對(duì)引水隧洞建模模型尺寸為：42 m×115 m×50 m。

網(wǎng)格劃分方案采用四面體劃分，隧洞開(kāi)挖周?chē)鷰r土體應(yīng)力應(yīng)變影響范圍超過(guò)10%的區(qū)域（約為隧洞開(kāi)挖周?chē)睆?5 m 區(qū)域）逐級(jí)網(wǎng)格細(xì)化，建模效果圖如圖1 所示。

2.2 數(shù)值模擬模型選擇

引水隧洞洞身、及其圍巖均屬于非線性材料，對(duì)于這類(lèi)材料，Midas 軟件中適用的模型有劍橋模型、Mohr-Coulomb 等本構(gòu)模型。其中Mohr-Coulomb 模型適用于彈性或彈塑性變形，摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度對(duì)材料抗拉屈服條件以及抗壓屈服條件進(jìn)行了說(shuō)明，隧洞及隧洞圍巖屬堅(jiān)質(zhì)脆性材料，宜使用摩爾庫(kù)倫模型按彈塑性準(zhǔn)則對(duì)引水隧洞及周?chē)鷰r土體進(jìn)行數(shù)值建模。另外，為簡(jiǎn)化有限元模型，認(rèn)為在開(kāi)挖時(shí)間相對(duì)較短的情況下，挖去部分周?chē)鷰r土體中水的滲流相對(duì)較慢，假定不考慮滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用。

圖1 引水隧洞建模效果圖

2.3 邊界條件及參數(shù)選擇

對(duì)完成建模及劃分網(wǎng)格后的模型進(jìn)行邊界條件及參數(shù)設(shè)置。模型上表面設(shè)定邊界條件為自由邊界，模型四周表面設(shè)定邊界條件為豎向位移約束，模型底面設(shè)定邊界條件為固定端。

模型參數(shù)選擇參考地勘資料設(shè)定，模型頂層區(qū)域?yàn)轱L(fēng)化巖，γ=17 kN/m3，ψ=29°，μ=0.35，c=0.07 MPa，E=0.8 GPa；中層區(qū)域?yàn)槠扑榈[巖、礫質(zhì)土，屬Ⅴ級(jí)圍巖，γ=20 kN/m3，ψ=28°，μ=0.34，c=0.2 MPa，E=1.5 GPa；下層也是引水隧洞開(kāi)挖層為斷裂帶，巖體較破碎，屬Ⅳ級(jí)圍巖，γ=22 kN/m3，ψ=35°，μ=0.31，c=0.5 MPa，E=3.0 GPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

隨著引水隧洞的開(kāi)挖打破了原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力發(fā)生明顯變化，隧洞底部和側(cè)壁中央的應(yīng)力變化最大，對(duì)于開(kāi)挖前進(jìn)方向，隧洞開(kāi)挖對(duì)前進(jìn)方向中心點(diǎn)處的影響最大。為了進(jìn)一步探究隧洞開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r土體的應(yīng)力影響值，選取模型中心點(diǎn)處（隧洞縱向25 m 處）作為研究截面，見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2 引水隧洞模型中心點(diǎn)開(kāi)挖前后最大主應(yīng)力云圖

圖3 引水隧洞模型中心點(diǎn)開(kāi)挖前后最小主應(yīng)力云圖

圖2 與圖3 中，四個(gè)階段云圖分別為開(kāi)挖至中心截面-5 m 處、開(kāi)挖至中心截面0 m 處、開(kāi)挖至中心截面+5 m 處、開(kāi)挖至中心截面+10 m 處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖。由兩組圖可知，在開(kāi)挖一定距離后，開(kāi)挖方向正前方5 m 處圍巖應(yīng)力已經(jīng)出現(xiàn)了變化，最先出現(xiàn)變化的是隧洞頂端區(qū)域；當(dāng)開(kāi)挖至選定隧洞截面時(shí)，圍巖應(yīng)力變化量較大，但在此瞬間圍巖應(yīng)力變化分布較為均勻，還未明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；隧洞開(kāi)挖前進(jìn)5 m 之后，選定隧洞截面應(yīng)力變化范圍擴(kuò)大，約為開(kāi)挖瞬間的1.5 倍，隧洞周?chē)黠@出現(xiàn)了三處應(yīng)力集中區(qū)，最小主應(yīng)力集中分布在隧洞左側(cè)、右側(cè)中部以及隧洞底板，最大主應(yīng)力主要在隧洞拱頂、左側(cè)、右側(cè)底角衰減較快；當(dāng)開(kāi)挖至選定隧洞截面前進(jìn)方向10 m 處時(shí)，圍巖應(yīng)力變化范圍影響區(qū)域增大，但應(yīng)力變化程度降低，圍巖應(yīng)力變化已經(jīng)趨于平穩(wěn)。

進(jìn)一步，研究最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的變化情況，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將隧洞開(kāi)挖各點(diǎn)的最小、最大主應(yīng)力分別繪制曲線，如圖4 所示。

圖4 隧洞開(kāi)挖過(guò)程最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力變化曲線

圖4 中可以明顯地看出：當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)度距離距選定截面5 m 時(shí)，選定截面主應(yīng)力變化不明顯；隨著開(kāi)挖進(jìn)度的增加，選定截面主應(yīng)力變化程度增大，直至開(kāi)挖至選定截面1 m 處時(shí)，選定截面周?chē)畲笾鲬?yīng)力與最小主應(yīng)力同時(shí)產(chǎn)生突變，隧洞兩側(cè)中部和隧洞底板中心突變量最為明顯，突變量可達(dá)1.5 MPa；在選定截面被開(kāi)挖超過(guò)1 m 后，選定截面的圍巖應(yīng)力變化開(kāi)始減弱并隨著開(kāi)挖的繼續(xù)進(jìn)行逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定值。

3.2 位移結(jié)果分析

為了方便數(shù)值計(jì)算的結(jié)果對(duì)照，位移結(jié)果分析仍選取與應(yīng)力分析時(shí)隧洞相同位置，即為隧洞開(kāi)挖中心處截面，在整個(gè)開(kāi)挖模擬過(guò)程中，引水隧洞中心截面出現(xiàn)的水平位移與豎向位移如圖5所示。

圖5 引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程水平位移與豎向位移等勢(shì)圖

由圖5 可以看出，隧洞中心截面處水平位移和豎向位移的最大值分別位于隧洞左右兩側(cè)中部和隧洞底板中心處，位移值分別為5.69 mm（方向指向隧洞內(nèi)側(cè)）和4.34 mm（方向豎直向上）。

4 結(jié)論及建議

本次對(duì)沭水東調(diào)工程引水隧洞開(kāi)挖數(shù)值仿真主要有如下結(jié)論：1）在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖截面的應(yīng)力集中區(qū)主要分布在隧洞兩側(cè)中部以及隧洞底板中心處；2）隧洞開(kāi)挖對(duì)1 m 范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力影響最大，超過(guò)此范圍時(shí)，圍巖應(yīng)力變化開(kāi)始減弱并逐漸趨于平穩(wěn)；3）隧洞開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖截面最大水平位移值為5.69 mm，最大豎向位移值為4.34 mm。

建議隧洞開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低開(kāi)挖速度，防止開(kāi)挖過(guò)快使得前進(jìn)方向圍巖應(yīng)力釋放速度增大；在開(kāi)挖過(guò)程中，隧洞支護(hù)要及時(shí)，盡量不要晚于開(kāi)挖進(jìn)度1m 以上；建議加強(qiáng)隧洞側(cè)壁中部以及隧洞底板中心點(diǎn)處隧洞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止底板隆起和側(cè)壁凹陷，出現(xiàn)此類(lèi)情況時(shí)應(yīng)立即停止開(kāi)挖工作并對(duì)破裂處進(jìn)行加固處理。