某水電站對外公路隧道開挖的空間效應(yīng)數(shù)值模擬

張啟明

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某水電站的進(jìn)廠公路隧道的施工地段位于海拔2700 m的高度。隧道起訖里程 K9+234～K16+650，全長7416 m，隧道洞身處的最大埋深約1234 m。隧道地質(zhì)構(gòu)造簡單，為單斜構(gòu)造，巖性為細(xì)粒石英砂巖，巖性較堅硬，巖體較完整，洞身以Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級圍巖為主。K13+581處穿越一斷層帶。隧道經(jīng)過地段為粉砂質(zhì)絹云板巖，局部含炭質(zhì)絹云板巖，有機質(zhì)含量不高，瓦斯等有害氣體含量很小，隧道不存在放射性危害問題。隧道洞身段無地表水出漏，洞身圍巖富水性較差，枯水期施工不會出現(xiàn)涌水的可能，洞身段主要為裂隙水。本項目所處地帶干濕季節(jié)分明，雨季(5—10月)降水量為 671.3 mm，為全年的95%，多年平均氣溫為 11.3 ℃。極端最高氣溫為 36.4 ℃，極端最低氣溫為-17.2 ℃；該地區(qū)的蒸發(fā)量比較大，多年平均蒸發(fā)量為 2000.5 mm，相對濕度比較小，多年平均值為57%，最小僅2%。隧道全長7416 m，穿山而過，隧道的樁號K9+234～K16+650。進(jìn)廠公路隧道主要開挖于兩河口組中段，該段巖石以深灰至灰黑色砂質(zhì)碳質(zhì)板巖夾變質(zhì)石英砂巖為主，層面發(fā)育完全，節(jié)理較不發(fā)育，礦物成份以長石、石英為主。整個施工區(qū)域內(nèi)無大的斷層，斷裂構(gòu)造主要是構(gòu)造節(jié)理，并形成了北西-南東向的構(gòu)造線。該區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件較為簡單，地下水主要包括第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩大類。孔隙潛水的主要補給源為地表徑流和大氣降水以及部分地下水，基巖裂隙水的補給源為大氣降水，只有少量是由高山融雪水補給。該段地質(zhì)構(gòu)造簡單，為單斜構(gòu)造，以細(xì)粒石英為主，砂巖，巖石較堅硬，無不良地質(zhì)和特殊巖層。洞身圍巖為弱風(fēng)化變細(xì)粒石英砂巖，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主[1-3]。

2 研究方法

本文取樁號為 K13+000～K13+060 段隧道作為計算區(qū)域?？辈旖Y(jié)果表明，本段隧道平均埋深為600 m。數(shù)值模型坐標(biāo)原點選擇了距離地面以下 680 m 的位置，計算區(qū)域向左右各取60 m，最終計算區(qū)域為 680 m×140 m×50 m。隧道半徑為 5.7 m，隧道斷面形狀為三心圓式，一次襯砌為噴射厚為0.2 m 的C25混凝土。模型底部施加Z方向位移約束，與洞軸線平行的邊界采用Y方向位移約束，與洞軸線垂直的邊界采用X方向位移約束，模型的側(cè)壓力系數(shù)取1。本段隧道工程一次襯砌采用了噴射混凝土支護。錨桿長4 m，采用梅花形布置，縱環(huán)向間距為1.5 m×l.5 m。錨桿作用的機理是增加了作用區(qū)的黏聚力，一次襯砌外層建立注漿錨固區(qū)來模擬錨桿的作用，注漿錨固區(qū)的半徑設(shè)定4.0 m，這與錨桿的長度相一致，注漿及錨桿的作用會使該區(qū)域圍巖參數(shù)產(chǎn)生較大變化，其中隧道的分區(qū)示意如圖1所示，各區(qū)域參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道的分區(qū)示意圖

表1 隧道各個圍巖計算參數(shù)表

依據(jù)上述計算范圍與參數(shù)，使用ADINA有限元軟件建立有限元模型的劃分采用四節(jié)點矩形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格密度為4 m，最大網(wǎng)格密度為10 m，將隧洞處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，共剖分 133 563節(jié)點，126 793個單元。計算模型如圖2所示。

圖2 隧道的有限元計算模型

3 結(jié)果與分析

3.1 隧洞圍巖的沉降變化量

圖3為隧道開挖前初始條件下的整體應(yīng)力圖，由圖可知在隧道開挖前，隧道應(yīng)力呈現(xiàn)出線性分布，但是后期隨著埋深的增大，隧道受壓力逐漸增大，此時數(shù)值計算中模型底部壓力為20.03 MPa，與理論計算19.82 MPa 的結(jié)果相近。在初始應(yīng)力條件正確后，對隧道進(jìn)行開挖支護工序，襯砌的變形與圍巖的變形一致，所以這里只對襯砌的受力進(jìn)行分析研究。隧道施工完畢后，襯砌拱腳處的壓力最大，最大值為 29.79 MPa，因此必須在隧道拱腳處采用保護措施，防止拱腳處圍巖與襯砌由于壓力過大，而產(chǎn)生破壞。在隧道的底拱處，受到的最大拉應(yīng)力為 1.84 MPa，此時的拉力偏大，應(yīng)當(dāng)采用預(yù)防措施[4-7]。

圖3 隧道在初始條件下的整體應(yīng)力分布圖

通過數(shù)值計算可以得出，在對隧道開挖過程中，出現(xiàn)了拱部效應(yīng)，隧道開挖中，最大的豎向沉降位移總是發(fā)生在拱頂處，最大的位移隆起發(fā)生在隧道的底拱處；對于隧道受力來說，主要受壓應(yīng)力的作用，拱腳處隧道所受壓力最大，僅在隧道底拱處，隧道受到拉應(yīng)力的作用，這也是底拱處隧道隆起產(chǎn)生的原因；四個斷面上拉應(yīng)力最大為 1.64 MPa，最大壓應(yīng)力為-25.62 MPa，因此在隧道的底拱和拱腳處應(yīng)加以防護，防止隧道受拉壓破壞。實際拱頂沉降結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測位移和數(shù)值模擬位移沉降量對比圖

由圖4可知，在實際監(jiān)測資料中，隧道在 K13+000、K13+020、K13+040、K13+060斷面拱頂處的豎直位移量分別為 45.42 mm、43.63 mm、43.24 mm和 43.66 mm，數(shù)值計算結(jié)果分別為 46.77 mm、46.02 mm、43.21 mm 和 43.57 mm，相對誤差率分別為2.97%、1.48%、-0.07%和-0.02%；相比于工程實測的數(shù)據(jù)，數(shù)值計算的結(jié)果要偏大，這是由于在工程測量中，在隧道開挖過后，才進(jìn)行位移監(jiān)測儀器的安置，因此儀器得到的數(shù)據(jù)并不能完全記錄圍巖由于開挖而產(chǎn)生的位移，特別是隧道前期位移量，無法在監(jiān)測儀器中獲得；而在數(shù)值模擬結(jié)果中，這些數(shù)據(jù)都可以得到記錄。所以數(shù)值計算結(jié)果整體上符合實際工程測量值。

3.2 空間效應(yīng)分析

在對比分析了數(shù)值模擬最終位移量與實測結(jié)果之后，為了探討隧道開挖過程中的空間效應(yīng)規(guī)律，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)值模型中各節(jié)點處的豎直位移量，繪制出各個斷面隧道變形隨著有限元程序開挖時間步的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 K13+000到K13+060斷面處變形曲線

數(shù)值模擬開挖時，K13+300 首先開挖，然后依次開挖到 K13+060斷面。當(dāng)K13+000斷面開挖時，該斷面受到較大影響位移量已達(dá)到18.2 mm，而此時 K13+020、K13+040、K13+060斷面處的位移值分別為3.02 mm、2.21 mm、1.59 mm。當(dāng)K13+000斷面的大變形已基本完成，位移值為44.50 mm，此時 K13+020、K13+040、K13+060 斷面位移值依次為8.93 mm、3.21 mm、2.23 mm?？梢钥闯?，隧道開挖的影響隨距離的變化關(guān)系，在該斷面被開挖時，位移變形最大，在開挖面前方，離開挖面的距離越遠(yuǎn)，受到的影響越??；當(dāng) K13+020斷面開挖時，此時該斷面的位移為18.29 mm，K13+000斷面處的圍巖變形已基本穩(wěn)定為49.20 mm，而開挖面前方的 K13+040、K13+060斷面的豎直位移分別為3.88 mm、2.43 mm；可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，開挖面前方圍巖的變形有微小增加，主要的大變形發(fā)生在該斷面被開挖后。

為了分析研究在隧道開挖中圍巖變形與隧道開挖距離的變化關(guān)系，本文繪制了該進(jìn)廠道路隧道施工工程中 K13+000到K13+060圍巖變形隨開挖距離的變化關(guān)系圖，本次數(shù)值模擬中，以S為開挖面距離觀測截面的距離，R為隧道半徑，則K13+000斷面只得到 S/R 為-2～7 的數(shù)據(jù)，K13+020得到 S/R 為-3～5 的數(shù)據(jù)，K13+040 斷面得到 S/R 為-5～3 的數(shù)據(jù)，K13+060斷面得到 S/R 為 -6～2 的數(shù)據(jù)，繪制出的縱剖面變形曲線如圖6所示。圖中，S/R=0 時，表示該斷面正處于開挖位置上；S/R<0 時，表示該斷面在開挖面前；S/R>0 時，表示該斷面已被開挖，在開挖面后方。

圖6 K13+000到K13+060隧道拱頂縱剖面變形曲線

由圖6可知，四個斷面下的變形曲線基本一致，盡管數(shù)據(jù)采集的區(qū)間不同，但反應(yīng)的總體規(guī)律是一致的； K13+000、K13+020、K13+040、K13+060四個斷面的最終位移量分別為 45.61 mm、45.33 mm、45.91 mm、45.51 mm，可以知道，在相同的地質(zhì)圍巖條件下，由開挖引起的變形基本相同。

4 結(jié) 論

本文通過該水電站進(jìn)廠道路隧道工程實際，選取一段隧道建立有限元模型，對實際開挖中的隧道的縱向變形曲線進(jìn)行了預(yù)測，得到了隧道的最終豎直位移量并與工程實測資料進(jìn)行了驗證，主要結(jié)論如下：

(1) 該水電站進(jìn)廠道路隧道開挖中，最大的豎向沉降位移總是發(fā)生在拱頂處，最大的位移隆起發(fā)生在隧道的底拱處；對于隧道受力來說，主要受壓應(yīng)力的作用，拱腳處隧道所受壓力最大為-25.62 MPa，在隧道底拱處，隧道受到拉應(yīng)力的作用，最大為1.64 MPa，因此在這兩處應(yīng)當(dāng)采用保護措施，防止圍巖受拉壓破壞。

(2) 該水電站進(jìn)廠道路隧道工程數(shù)值計算的拱頂位移沉降結(jié)果較實測結(jié)果偏大，但總體上符合實測數(shù)據(jù)；當(dāng)開挖面超過各個斷面4R的距離時，拱頂位移變形曲線基本平緩，可以認(rèn)為此時的隧道圍巖變形基本完成。