雙拱引水隧道受力和位移的數(shù)值模擬研究

顧博凱

（遼寧凌河水利電力建設(shè)有限公司，遼寧 朝陽 122000）

1 引言

隧道工程因其能夠極大地縮短路程，節(jié)約人工成本和時間成本，在最近幾十年被大量運用，對此學者們進行了大量的研究。李彬等[1]研究陜南隧道地應力情況，獲得了隧道地應力分布特征，由地應力的情況可對隧道的設(shè)計和施工提供重要的參考。曾開華等[2]建立了理想彈塑性圍巖的統(tǒng)一解，繼而對統(tǒng)一解進行討論與應用，研究結(jié)果表明：所得塑性統(tǒng)一解合理地反映隧道的受力特征，具有一定理論意義。許有俊等[3]通過數(shù)值模擬，研究隧道接頭橡膠圈的受力特性，研究結(jié)果表明：橡膠圈安裝力隨距離的增加，受力會變化。陳文旭[4]針對廣州地區(qū)隧道價格指導文件多而不全問題，對該類問題進行深入調(diào)研與分析，建立起一套隧道工程計價方法，工程應用案例表明，該定價方法工程實用性強。程霖等[5]建立了考慮雙層彈簧彈性地基梁模型，利用數(shù)值模擬驗證了模型的可行性，研究結(jié)果表明：該方法計算得到的管線沉降和彎矩比更加符合工程實際。王玥等[6]為解決隧道工程注漿問題，試驗應用偏鋁酸鈉改性水玻璃漿液，實踐表明:偏鋁酸鈉改性水玻璃漿液可注性好。楊釗等[7]以福州某隧道工程為例，研究隧道結(jié)構(gòu)開裂的原因，并得出結(jié)論：試驗段管廊施工時，管廊地基土體出現(xiàn)流失是造成隧道結(jié)構(gòu)開裂的主要原因。武世燕等[8]對巖溶區(qū)隧道突涌水進行了分析，并推導出不考慮溶腔體積時的最優(yōu)設(shè)計厚度表達式。汪平[9]比較分析了國內(nèi)外高速鐵路隧道仰拱棧橋運行方式和優(yōu)缺點，提出了全弧模板和中心水溝模板一體化設(shè)計方案。實踐證明：此新型棧橋操作更安全、更方便。唐再興[10]研究隧道管片防水性能問題，建立數(shù)值模型，探究不同工況對于彈性密封墊防水性能的影響，結(jié)果表明：三元乙丙橡膠性密封墊防水性能較好。然而以上的研究并沒有分析雙拱引水隧道在施工過程中的受力和位移，因此本文結(jié)合一具體雙拱隧道工程，利用數(shù)值模擬對隧道的受力和位移進行研究。

2 工程概況

該工程屬于引水隧道工程，隧道全長182 m，暗洞段長146 m，隧道口最大埋深26 m，地質(zhì)條件為V級圍巖，最大開挖跨度32 m，屬于軟弱圍巖大跨隧道。隧道的受力特征見圖1。

圖1 隧道受力示意圖

經(jīng)過地質(zhì)勘察隧道區(qū)域巖土體從上至下依次為風化土、風化巖和硬巖，巖土體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

數(shù)值模擬采用MIDAS GTS，見圖2，數(shù)值模擬隧道研究區(qū)域450 m×320 m×160 m（長×寬×高），因為所建隧道區(qū)域為不規(guī)則的形狀，結(jié)合以往數(shù)值模擬經(jīng)驗和施工經(jīng)驗可知，此研究區(qū)域的選擇是合理的。結(jié)合隧道受力將隧道的受力和二襯結(jié)構(gòu)展示見圖3。

圖2 隧道立面圖（單位：m）

圖3 二襯和隧道的受力示意圖

3.2 模型的屬性

風化土體本構(gòu)模型采用莫爾庫侖，風化巖和硬巖采用的是彈性本構(gòu)，二襯采用梁單元，梁單元采用鋼的屬性，錨桿采用植入式桁架單元。數(shù)值模擬在隧道區(qū)域每1 m劃分一個單元，以便對隧道區(qū)域進行更為精確的計算，巖土體區(qū)域每2.5 m劃分一個單元，以便提高計算的速度，為保證網(wǎng)格劃分的有效性，統(tǒng)一采用混合四面體網(wǎng)格進行劃分。數(shù)值模擬共計398012 個單元，452026 個節(jié)點。

3.3 模擬的結(jié)果

數(shù)值模擬計算至引水隧道最大不平衡力與平衡力比值達到1×10-6時停止，模擬結(jié)果選取引水隧道的豎向位移、第一主應力和第三主應力，見圖4～圖6。

圖4 引水隧道豎向位移（單位：m）

圖6 引水隧道所受第三主應力（單位：kPa）

引水隧道開挖完成以后，隧道的豎向位移見圖4。由圖5可知，隧道最大豎向位移為3.4 mm，因為此位移所占比例僅為1.8%，且僅集中于拱底，由于此位移不超過5 mm，且所占比例不大，可認為此位移是在工程允許的范圍內(nèi)，不會對工程造成不良影響。不超過12%的巖土體位移控制在5 mm以內(nèi)，且位移較大處主要集中于拱底，說明施工過程中拱底是需要防治的重點。引水隧道拱底處主要是沉降變形，上方主要是隆起變形，因隆起量大多不超過1 mm，也在可控制的隆起范圍內(nèi)，滿足工程穩(wěn)定性要求。另一方面絕大多數(shù)巖土體的位移不超過1 mm，說明隧道的設(shè)計是滿足要求的。

圖5 引水隧道所受第一主應力（單位：kPa）

引水隧道所受的第一主應力見圖5。由圖6可知，隧道周圍所受第一主應力值最大，數(shù)值最大為7.1 kPa，此應力僅占0.9%，主應力超過2.4 kPa的巖土體所占比例也不超過10%，說明開挖不會對周圍巖土體的受力造成應力集中，受力較為均勻，也在工程允許的范圍內(nèi)。

第一主應力集中區(qū)域位于開挖隧道附近，說明開挖過程中確實對周圍巖土體造成了一定程度的擾動，因此在施工過程中，應當嚴格按照施工要求和進度進行開挖支護，以防止出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。

引水隧道所受的第三主應力見圖6。由圖6可知，隧道周圍所受第三主應力值最大，數(shù)值最大為1.9 kPa，此應力僅占0.8%，主應力超過0.8 kPa的巖土體所占比例也不超過12%，同樣說明開挖不會對周圍巖土體的受力造成應力集中，受力較為均勻，也在工程允許的范圍內(nèi)。第三主應力集中區(qū)域位于開挖隧道附近，說明開挖過程中確實對周圍巖土體造成了一定程度的擾動，尤其在右洞右側(cè)，第三主應力值明顯較左洞左側(cè)值大，說明在隧道開挖過程中，尤其應當注意對右側(cè)支洞的防護，及時做好錨桿和相應的防護措施，以保證右側(cè)支洞的施工安全。

3.4 數(shù)值模擬總結(jié)

（1）引水隧道開挖完成以后，豎向位移控制在合理范圍內(nèi)，隧道拱底以下主要為沉降變形，拱頂以上主要為隆起變形，但以上變形量均控制在合理范圍內(nèi)，不會對工程造成安全隱患。

（2）由第一主應力可知：拱底處所受的第一主應力數(shù)值較大，但是所占比例不大，說明開挖過程中確實對周圍巖土體的受力造成了一定的影響，由此可知，應當嚴格按照施工要求進行施工，避免施工不當造成隧道受力過大，而導致影響工程事故安全的事情發(fā)生。

（3）由第三主應力可知：引水隧道所受第三主應力值均控制在合理范圍內(nèi)，不會對周圍巖土體的受力造成一定的影響，隧道右側(cè)區(qū)域所受第三主應力明顯較左側(cè)大，因此應當尤其注意右側(cè)區(qū)域的防護。

4 結(jié)論

本文結(jié)合一引水隧道開挖項目，進行了數(shù)值模擬的研究，研究結(jié)果表明：

（1）隧道開挖后豎向位移均控制在合理范圍內(nèi)，說明隧道的支護措施和方案是合理有效的；

（2）隧道數(shù)值模擬第一主應力和第三主應力數(shù)值可知，施工對周圍巖土體的受力造成一定的影響，但是此影響均在可控范圍內(nèi)，同時應當注意隧道右側(cè)和拱底處的防護，嚴格按照施工要求進行施工，以保證開挖的安全；

（3）本文的研究暫時沒有考慮地震工況條件下，引水隧道的受力和位移特征，此方面的影響有待進一步深入研究。