小斷面水工隧道成洞質(zhì)量影響的數(shù)值研究

李 星

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局,新疆 伊寧 835000）

0 引言

針對(duì)小斷面水工隧道施工工程中引發(fā)的坍塌、沉降等問(wèn)題,目前研究者們已經(jīng)做了大量研究。楊俊生等[1]以某水電站為研究背景,采用數(shù)值分析的研究方法,探討了小斷面隧道圓形和馬蹄形截面的開(kāi)挖技術(shù),在此基礎(chǔ)上,胡本雄等[2]同樣就隧道斷面形式進(jìn)行了比較分析。劉澤等[3]就小斷面隧道的爆破參數(shù)等進(jìn)行了研究分析,并將其優(yōu)化設(shè)計(jì)用于實(shí)際工程。馮依贊等[4]采用試驗(yàn)分析的研究方法,針對(duì)小斷面隧洞的硬質(zhì)圍巖爆破工程參數(shù)進(jìn)行了具體的分析。曹宏新等[5]基于實(shí)際工程研究背景,就小洞徑隧道的開(kāi)挖以及施工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)處理。余永強(qiáng)等[6]采用數(shù)值模擬的分析方法,研究分析了某實(shí)例隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖強(qiáng)度變化情況以及隧道成洞質(zhì)量。祝云華等[7]采用數(shù)值模擬的分析方法,就軟弱圍巖下的隧道開(kāi)挖質(zhì)量以及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。類似地,石堅(jiān)等[8]采用數(shù)值分析方法就隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了研究分析。

綜合上述研究,研究者們就隧道開(kāi)挖以及圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了大量豐富的研究并取得了豐碩的成果,在此基礎(chǔ)上,本文采用FLAC3D 有限元分析軟件建立三維隧道模型,研究分析強(qiáng)弱參數(shù)下擾動(dòng)層圍巖和隧道襯砌的位移以及應(yīng)力變化特征,并就隧道成洞質(zhì)量進(jìn)行分析。

1 工程概況

本研究將實(shí)例工程隧道的某一地段作為研究對(duì)象,其背景工程實(shí)地地形見(jiàn)圖1,該區(qū)位屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域,干雨季分明,四季區(qū)分不明顯。隧道總長(zhǎng)為2036.78 m,圍巖穩(wěn)定性較差。本文選取隧道DS6+500.25～DS6+856.31 地段,該地段地質(zhì)構(gòu)造多樣化并且穿過(guò)山谷等復(fù)雜地形,隧道的頂部巖層厚度為5 m～20 m,主要巖層分布為石英砂巖,泥巖,泥質(zhì)粉砂巖以及粉質(zhì)砂巖,巖層的傾角為43°。由于地形地貌和淺埋的復(fù)雜巖層影響,在隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)了坍塌事故,其塌方現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。因此,為保證理想的施工質(zhì)量,本研究基于工程背景選取該地段50 m 范圍作為研究對(duì)象,研究分析在隧道成洞質(zhì)量不同的條件下隧道的圍巖穩(wěn)定性影響。

圖1 工程背景實(shí)地地形圖

圖2 隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)圖

2 計(jì)算模型

本節(jié)利用FLAC3D 建立了隧道計(jì)算模型,該模型總共劃分了38649 個(gè)節(jié)點(diǎn)和195624 個(gè)單元,其模型圖見(jiàn)圖3。模型的地基尺寸取為50 m×40 m×40 m,其中,隧道上方巖層厚度為5 m,風(fēng)化土層厚度為3 m。隧道內(nèi)徑為3.5 m,襯砌厚度0.4 m,質(zhì)量為2500 kg/m3,楊氏模量為3.65×104MPa,泊松比為0.167。具體的巖層物理參數(shù)在表1 中給出。隧道開(kāi)挖工況共分為25 步,其開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為2.0 m,且每開(kāi)挖循環(huán)一次均對(duì)隧道周邊的巖層弱化參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖3 隧道計(jì)算模型圖

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

本節(jié)選取了隧道開(kāi)挖進(jìn)行至15 步時(shí)以及隧道完全開(kāi)挖完成,即第25 步兩種工況條件進(jìn)行圍巖斷面擾動(dòng)層以及隧道襯砌的相關(guān)變化特征進(jìn)行研究。主要分析在強(qiáng)弱參數(shù)條件下,擾動(dòng)層圍巖和隧道的沉降位移變化規(guī)律和圍巖與隧道襯砌的有效應(yīng)力大小變化特征。

3.1 擾動(dòng)層和隧道沉降位移分析

本節(jié)選取了隧道開(kāi)挖至第15 步時(shí)圍巖斷面強(qiáng)弱參數(shù)和擾動(dòng)層沉降進(jìn)行研究。其具體的位移沉降數(shù)據(jù)在表2 中給出,圖4 為對(duì)應(yīng)的沉降分布曲線。由圖4 和表2 可知,圍巖斷面沉降隆起值隨著黏聚力的弱化而增大,其中,強(qiáng)、弱參數(shù)下沉值的增幅比值為1.34～23,最大增幅比在距離隧道洞口位置20 m 處；擾動(dòng)層隆起值的增幅比值為1.17～78,最大增幅在距離洞口23 m,即谷底處達(dá)到。當(dāng)擾動(dòng)層的圍巖強(qiáng)度參數(shù)加強(qiáng)后,擾動(dòng)層的隆起值不斷減??；反之,爆破等影響因素導(dǎo)致隧道圍巖的擾動(dòng)層強(qiáng)度參數(shù)減小后其隧道圍巖位移沉降值不斷增大,在山谷和谷底處變化最顯著。因此,在實(shí)際施工過(guò)程中,當(dāng)圍巖巖性較差時(shí),應(yīng)當(dāng)注意開(kāi)挖工作面的及時(shí)封閉以及隧道的及時(shí)支護(hù)。

圖4 開(kāi)挖至15 步時(shí)圍巖斷面強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層沉降位移曲線

表2 開(kāi)挖至15 步時(shí)圍巖斷面強(qiáng)、弱參數(shù)和擾動(dòng)層沉降統(tǒng)計(jì)表

開(kāi)挖要完成時(shí)的圍巖典型斷面強(qiáng)弱參數(shù)和擾動(dòng)層沉降結(jié)果見(jiàn)表3 和圖5,由圖表可知,對(duì)比強(qiáng)弱參數(shù)擾動(dòng)層條件下的圍巖斷面沉降最大位移不難發(fā)現(xiàn),弱參數(shù)條件下的圍巖最大位移較大。這一結(jié)論與上述工況結(jié)果類似,但是在山谷谷底位置的區(qū)域內(nèi)最大位移對(duì)比并不明顯。

表3 開(kāi)挖要完成時(shí)圍巖斷面強(qiáng)、弱參數(shù)和擾動(dòng)層沉降統(tǒng)計(jì)表

圖5 開(kāi)挖完成時(shí)圍巖斷面強(qiáng)、弱參數(shù)擾動(dòng)層沉降位移曲線

3.2 擾動(dòng)層和隧道襯砌應(yīng)力分析

本節(jié)同樣選取了開(kāi)挖至15 步時(shí)的圍巖斷面有效應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。其具體的最大有效主應(yīng)力分布見(jiàn)表4,圖4 為對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布曲線。由圖表可知,隨著距離隧道洞口距離的增大,強(qiáng)弱參數(shù)條件下擾動(dòng)層圍巖和隧道襯砌的拉壓應(yīng)力均增大。當(dāng)弱化擾動(dòng)層的粘聚力后,圍巖斷面與隧道襯砌的有效應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢增大的現(xiàn)象,其中拉應(yīng)力的增幅比值范圍為1.74～2.05；壓應(yīng)力的增幅比值范圍為1.16～8.39。擾動(dòng)層的圍巖強(qiáng)度增強(qiáng)后,其拉、壓應(yīng)力不斷減小,與弱參數(shù)條件下的應(yīng)力相比,其壓應(yīng)力的減小幅值為48.76%～57.41%；拉應(yīng)力的減小幅值為11.91%～86.24%。由此可以得知,隨著隧道圍巖擾動(dòng)層強(qiáng)度參數(shù)的增大,圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力不斷減小,其中,拉應(yīng)力的減小幅值較為顯著；反之,由于爆破等影響因素導(dǎo)致隧道圍巖強(qiáng)度參數(shù)弱化則使得圍巖和隧道襯砌的有效應(yīng)力增大并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而導(dǎo)致隧道坍塌和地面沉降的危害。因此,在巖性較差的山谷地段更容易發(fā)生大型塌方事故,在實(shí)際工程中,在對(duì)巖性較差地段進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)隧道以及地面進(jìn)行支護(hù)從而確保施工安全有序地進(jìn)行。

表4 開(kāi)挖至15 步時(shí)圍巖斷面有效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

圖6 開(kāi)挖至15 步時(shí)圍巖斷面有效應(yīng)力分布

表5和圖7 給出了隧道開(kāi)挖至25 步,即開(kāi)挖要完成時(shí),強(qiáng)弱參數(shù)條件下圍巖典型斷面的應(yīng)力特征分布,由圖表可知,山谷地段和隧道周邊圍壓有效應(yīng)力隨著擾動(dòng)層強(qiáng)度參數(shù)的增大而減小,并且拉應(yīng)力的減小幅值更大。隨著巖層強(qiáng)度參數(shù)由于爆破等影響因素導(dǎo)致的強(qiáng)度弱化,四道圍巖的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷增大,從而造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此,對(duì)應(yīng)地段的圍巖出現(xiàn)坍塌和地面沉降,更有甚者出現(xiàn)大面積的地面塌方,導(dǎo)致在建隧道出現(xiàn)坍塌事故。針對(duì)這種問(wèn)題,在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)注意施工開(kāi)挖工作面的加固和及時(shí)支護(hù)工作。

圖7 開(kāi)挖要完成時(shí)圍巖斷面有效應(yīng)力分布

表5 開(kāi)挖要完成時(shí)圍巖斷面有效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本研究以某實(shí)例小斷面隧道工程為研究背景,采用數(shù)值模擬的分析方法,研究分析了隧道開(kāi)挖至15 步和25 步兩種不同工況下的圍巖擾動(dòng)層典型斷面和隧道襯砌的沉降位移以及有效應(yīng)力的變化規(guī)律。

（1）當(dāng)開(kāi)挖至15 步時(shí),隨著擾動(dòng)層的圍巖強(qiáng)度參數(shù)增加；擾動(dòng)層的隆起值不斷減小；反之,隧道圍巖的擾動(dòng)層強(qiáng)度參數(shù)減小后,隧道圍巖位移沉降值不斷增大；開(kāi)挖要完成時(shí),對(duì)比強(qiáng)弱參數(shù)擾動(dòng)層條件下的圍巖斷面沉降最大位移可知,弱參數(shù)條件下的圍巖最大位移較大。

（2）當(dāng)開(kāi)挖至15 步時(shí),隨著隧道圍巖擾動(dòng)層強(qiáng)度參數(shù)的增大,圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力不斷減??；反之,隧道圍巖強(qiáng)度參數(shù)弱化使圍巖和隧道襯砌的有效應(yīng)力增大并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)開(kāi)挖要完成時(shí),強(qiáng)弱參數(shù)條件下山谷地段和隧道周邊圍壓有效應(yīng)力隨著擾動(dòng)層強(qiáng)度參數(shù)的增大而減小；隨著巖層強(qiáng)度參數(shù)的弱化,圍巖的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷增大。

（3）當(dāng)圍巖巖性較差時(shí),地段的圍巖容易出現(xiàn)坍塌和地面沉降導(dǎo)致在建隧道出現(xiàn)坍塌事故；在實(shí)際施工過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)注意開(kāi)挖工作面的及時(shí)封閉以及隧道的及時(shí)支護(hù)從而確保施工安全有序地進(jìn)行。