長(zhǎng)距離輸水隧洞穩(wěn)定性及支護(hù)研究

盧功臣，蔣 銳

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 712000)

長(zhǎng)距離的輸水隧洞由于施工周期長(zhǎng)，距離大等特征，在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中易發(fā)生較多問(wèn)題。輸水隧洞在沿線易遭遇復(fù)雜的地質(zhì)條件，使得施工中需要面對(duì)各種各樣的難題，因此做好超前地質(zhì)勘測(cè)十分有必要[1]。而針對(duì)某些具體的工程問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行機(jī)理構(gòu)造的預(yù)測(cè)[2][3]。如果試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果表明施工中存在一定的危險(xiǎn)，則需因地制宜地采取防護(hù)措施或是新型工藝[4-7]。同時(shí)，由環(huán)境因素引起的短期突發(fā)狀況也需要進(jìn)行安全評(píng)估[8][9]。

長(zhǎng)距離輸水隧洞在隧道各段的受力方式大致相同，主要的外力來(lái)源于圍巖壓力及內(nèi)水壓力。由于隧洞的標(biāo)高在掘進(jìn)過(guò)程中緩慢上升，速調(diào)與目標(biāo)點(diǎn)的高差也在發(fā)生變化， 因此不同段的內(nèi)水壓力也不同。本文就輸水隧洞施工期及運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究，利用有限元軟件Abaqus分析隧洞在各個(gè)階段襯砌各方面的變化，并考慮不同內(nèi)水壓力下隧洞襯砌的最大應(yīng)力。針對(duì)應(yīng)力增加過(guò)快的情況，采用了不同的支護(hù)措施，分析其對(duì)隧洞安全性起到的作用，最終對(duì)隧洞施工給出相應(yīng)建議。

1 工程概況

榆林某輸水隧洞東線供水對(duì)象主要為榆林能源化工基地(解決其資源性缺水問(wèn)題)以及工程沿線重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)，緩解城市與工業(yè)發(fā)展、生態(tài)用水矛盾，為能源基地可持續(xù)發(fā)展提供可靠的供水保障。主要供水對(duì)象為窟野河河谷區(qū)、榆神工業(yè)園和禿尾河河谷區(qū)及沿線城鎮(zhèn)的生產(chǎn)生活用水。

工程現(xiàn)狀水平年為2015年，設(shè)計(jì)水平年近期為2025年，遠(yuǎn)期為2030年。供水保證率不低于95%。工程近期擬從黃河年取水量約3億 m3(遠(yuǎn)期約7億 m3)。根據(jù)工程效益和在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的重要性確定工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。

隧洞取水口到黃石溝水庫(kù)段(包括水庫(kù))，線路長(zhǎng)度約24 km；黃石溝水庫(kù)出庫(kù)到引水末點(diǎn)石峁水庫(kù)，線路長(zhǎng)度約88.2 km。線路初步確定了以下方案：方案由干線和支線組成，干線為窟野河三級(jí)加壓泵站至石峁水庫(kù)，全長(zhǎng)74.3 km，線路包括4座隧洞、3座泵站、3座倒虹、5段管線。南線支線為禿尾河四級(jí)加壓泵站至清水溝工業(yè)園，全長(zhǎng)19.725 km，線路為管線。同時(shí)在禿尾河以西線路布置一條比較線，線路同樣為管線，全長(zhǎng)9.94 km。推薦線路總長(zhǎng)74.3 km，以隧洞為主。共布置4條隧洞，全長(zhǎng)66.586 km，占總輸水線路的89.6%；壓力管線共分為五段，全長(zhǎng)7.084 km，占總輸水線路的9.5%。建筑物主要為1座倒虹，三個(gè)泵站，倒虹為禿尾河倒虹，泵站分別為小川岔泵站、禿尾河泵站及海則溝泵站。

工程區(qū)地勢(shì)總體呈西北高東南低，由北西向東南傾斜。地貌形態(tài)主要有堆積-侵蝕形成的河谷階地區(qū)、沙漠區(qū)及構(gòu)造剝蝕形成的沙蓋黃土梁、峁區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)等四種地貌景觀。

沙漠區(qū)分布于長(zhǎng)城沿線以北、窟野河以西廣大地區(qū)，窟野河?xùn)|側(cè)有少量分布。長(zhǎng)城沿線以南為黃土丘陵溝壑區(qū)，與沙漠區(qū)接壤部位有沙蓋黃土梁、峁區(qū)過(guò)渡帶，窟野河以東至黃河沿岸為黃土溝壑區(qū)，沿河谷兩岸分布有河流漫灘及階地區(qū)。

圖1 平面位置示意圖

2 三維數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，建立整體模型如圖2。隧洞半徑為4 m，厚度為0.5 m，埋深20 m。由于選取觀察處與輸水終點(diǎn)高程相差250 m，內(nèi)水壓力取為250 kPa。相關(guān)的圍巖和隧道材料參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 模型整體示意圖

表1 圍巖主要參數(shù)

表2 基坑擋土墻及隧道襯砌材料參數(shù)表

根據(jù)隧洞的施工計(jì)劃，擬定模型分析步驟如下：

(1)模型的地應(yīng)力平衡；

(2)開(kāi)挖隧洞內(nèi)土體強(qiáng)度折減；

(3)施加襯砌；

(4)開(kāi)挖土體；

(5)施加內(nèi)水壓力。

完成步驟后，分析隧洞的位移和應(yīng)力云圖，觀察內(nèi)部應(yīng)力分布變化。

3 隧洞施工及運(yùn)營(yíng)期數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖3為模型整體位移云圖。從圖中可以看出，隧洞整體最大位移集中于隧道底部，產(chǎn)生了1.43 mm的位移，而后向兩側(cè)擴(kuò)張，隧道上方則位移較小。原本應(yīng)有上方巖石的壓力造成的拱頂下沉，但隧洞內(nèi)的水壓力抵消了巖石壓力，導(dǎo)致隧道頂部呈現(xiàn)出位移平衡的狀態(tài)，二底部則是由于圍巖壓力不足以抵消內(nèi)水壓力、隧道及圍巖自身重力，而導(dǎo)致的下沉結(jié)果。從水平位移云圖和豎向位移云圖可以看出水平位移主要產(chǎn)生于拱腰兩側(cè)， 大小相同，方向相反；豎直位移則由拱底至拱底逐漸減小。

圖3 模型整體位移云圖

圖4為模型整體Mises應(yīng)力云圖。由圖可知，拱腰處的應(yīng)力明顯大于其他位置，大小為1.92 MPa，拱頂和拱腰大小約為0.8 MPa，遠(yuǎn)小于拱腰的應(yīng)力，說(shuō)明此時(shí)圍巖壓力造成的應(yīng)力變化影響仍大于內(nèi)部水壓，因此呈現(xiàn)出與無(wú)水壓時(shí)相近的應(yīng)力分布。

圖4 模型整體應(yīng)力云圖

圖5為圍巖的塑性區(qū)云圖。塑性區(qū)主要分布于隧洞的四個(gè)角點(diǎn)，即右上、左上、右下、左下四個(gè)位置。此處圍巖受到水平、豎向壓力的合力較大，在隧洞內(nèi)水壓力的作用下產(chǎn)生塑性變形。

圖5 圍巖塑性區(qū)

3.2 影響因素分析

本節(jié)研究隧洞內(nèi)水壓力對(duì)隧洞襯砌最大應(yīng)力的影響。文中以50 kPa為間隔，研究了內(nèi)水壓力從100 kPa到600 kPa時(shí)的隧洞最大應(yīng)力。由圖6可得在壓力從100 kPa變化為350 kPa時(shí)應(yīng)力上升較為平緩，曲線斜率變化較??；而當(dāng)內(nèi)水壓力高于400 kPa時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)迅速，在內(nèi)水壓力為600 kPa時(shí)應(yīng)力達(dá)到4 MPa以上，因此隧洞的內(nèi)水壓力越大，襯砌的應(yīng)力增長(zhǎng)也越快，當(dāng)內(nèi)水壓力在500 kPa以上時(shí)隧洞有破壞可能，需要采取一定的防護(hù)措施。

圖6 隧道最大位移隨平移距離變化曲線

為了減小襯砌應(yīng)力，對(duì)每個(gè)模型的隧洞分別添加小導(dǎo)管注漿工藝和錨桿加固工藝，所得結(jié)果如圖7。從圖中可以發(fā)現(xiàn)小導(dǎo)管注漿和錨桿加固都能在高內(nèi)水壓力的情況下保持應(yīng)力穩(wěn)定增長(zhǎng)，不會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)過(guò)快的情況，且小導(dǎo)管效果要略優(yōu)于錨桿加固。

圖7 隧道最大位移隨開(kāi)挖深度變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文以榆林某輸水隧洞東線為背景，利用有限元軟件Abaqus建立了三維數(shù)值模型，分析了輸水隧洞開(kāi)挖及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。通過(guò)分析隧洞開(kāi)挖完成后的應(yīng)力狀態(tài)，以及施加保護(hù)措施后的穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：

(1)隧洞在運(yùn)營(yíng)期的位移由拱底至拱頂逐漸增大，到拱頂時(shí)在內(nèi)水壓力與圍巖壓力的共同作用下位移較小。

(2)隧洞應(yīng)力主要產(chǎn)生于拱腰，頂部和底部所受的應(yīng)力相對(duì)較小。

(3)在內(nèi)水壓力的作用下，隧洞右上、右下、左上、左下四個(gè)角點(diǎn)最先產(chǎn)生塑性區(qū)。隨著壓力的增大，塑性區(qū)的范圍將逐漸擴(kuò)大，直至遍布隧洞四周。

(3)在不同的內(nèi)水壓力作用下，隧洞的應(yīng)力會(huì)隨之上升，且在超過(guò)400 kPa時(shí)，增長(zhǎng)速度加快。對(duì)隧洞周?chē)M(jìn)行小導(dǎo)管注漿的效果要好于施加錨桿。同時(shí)，兩種支護(hù)方式都能使在內(nèi)水壓力上升時(shí)，隧洞最大應(yīng)力增長(zhǎng)速度減緩。