埋深對(duì)淺埋輸水隧洞開(kāi)挖襯砌施工安全性的影響研究

郭佳桐

（遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110055）

1 工程背景

莊河抽水蓄能電站位于大連莊河市步云山鄉(xiāng)和桂云花鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，設(shè)置4臺(tái)250MW機(jī)組，裝機(jī)容量1 000MW。電站主要建筑物由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)及下水庫(kù)等建筑物組成。其中，上水庫(kù)位于蒲東溝溝腦部位，下水庫(kù)位于宮屯村附近的蛤蜊河上，壩址位于宮屯村上游約280m的溝谷處，輸水系統(tǒng)和地下廠房位于上、下水庫(kù)間的山體內(nèi)。上水庫(kù)正常蓄水位390.0m，死水位356.0m，調(diào)節(jié)庫(kù)容981萬(wàn)m3，死庫(kù)容23萬(wàn)m3，采用瀝青混凝土面板擋水。下水庫(kù)正常蓄水位151.0m，死水位139.0m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1 122萬(wàn)m3，死庫(kù)容233萬(wàn)m3，大壩為碾壓混凝土重力壩。引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)的布置型式，尾水系統(tǒng)采用一洞一機(jī)的布置型式，引水系統(tǒng)建筑物包括上水庫(kù)進(jìn)、出水口、引水事故閘門(mén)井、引水隧洞、引水調(diào)壓井、高壓管道，尾水系統(tǒng)建筑物包括尾水隧洞、尾水事故兼檢修閘門(mén)井和下水庫(kù)進(jìn)、出水口等。

引水發(fā)電系統(tǒng)的1#引水隧洞位移左側(cè)山體內(nèi)。受到地形和地質(zhì)條件的影響，在樁號(hào)2＋103—2＋155洞段需要穿過(guò)淺埋區(qū)，隧洞距離坡面的距離較小。該洞段的地表地形為河谷坡地，為中間高、兩頭低的饅頭山狀。由于工程項(xiàng)目區(qū)為濕潤(rùn)地區(qū)，大氣降水充足，因此地下水賦存豐富，主要為裂隙水。巖體風(fēng)化層孔隙水。由于研究洞段埋藏較淺，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，給開(kāi)挖施工造成了一定的難度[1]?；诖耍舜窝芯客ㄟ^(guò)數(shù)值模擬的方法，探討隧洞埋深對(duì)開(kāi)挖施工安全性的影響，為工程設(shè)計(jì)提供必要的支持和借鑒。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 計(jì)算軟件

ABAQUS是一款大型通用有限元軟件，在巖土工程模擬研究領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。該軟件不僅具有強(qiáng)大的非線性處理能力，提高模擬計(jì)算的效率和質(zhì)量，還可以提供豐富的巖土材料本構(gòu)模型[2]。同時(shí)，其還可以提供程序的二次開(kāi)發(fā)接口，可以自定義材料的特征和單元類(lèi)型，可以使用戶方便快捷的解決相關(guān)工程問(wèn)題。Midas GTS也是一款巖體工程領(lǐng)域常用的有限元分析軟件，在前處理建模方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]?；诖?，此次研究利用Midas GTS軟件，建立符合實(shí)際工程情況的幾何模型，并將其導(dǎo)入到ABAQUS軟件中，進(jìn)行隧洞開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程模擬[4]。

2.2 計(jì)算模型的構(gòu)建

結(jié)合圣維南原理和相關(guān)研究實(shí)踐，在地下洞室工程開(kāi)挖之后，圍巖應(yīng)力會(huì)隨著和洞心距離的增大而減小，在5倍洞徑的部位，應(yīng)力變化量不超過(guò)3%，可以忽略不計(jì)[4]?？紤]背景工程的設(shè)計(jì)資料和地形、地質(zhì)情況，模型選擇水平方向的模擬范圍為40 m，豎直方向向下取30 m，向上至地表。對(duì)隧洞開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的圍巖巖體和注漿加固區(qū)采用3D實(shí)體單元模擬，襯砌采用2D板單元模擬[5]。錨桿和超前小導(dǎo)管采用1D植入式桁架進(jìn)行模擬。為保證模型的計(jì)算精度，對(duì)隧洞周邊圍巖進(jìn)行加密處理，整個(gè)有限元模型劃分為13 357個(gè)網(wǎng)格單元，16 689個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 約束條件與計(jì)算參數(shù)

在地下洞室工程模擬計(jì)算過(guò)程中，最常用的的是Drukle-Plager屈服準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[6]。其中，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可以有效反映圍巖巖體的抗壓強(qiáng)度不同的S-D效應(yīng)和水壓力敏感性[7]。因此，在此次研究中選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。結(jié)合研究需要，對(duì)模型施加位移約束條件[8]。其中，模型的前后和左右施加法向位移約束，對(duì)模型的底部施加全位移約束，模型的上表面不施加位移約束，為自由邊界條件。參考工程項(xiàng)目的前期地質(zhì)勘查資料和相關(guān)施工規(guī)范，選取如表1所示的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 計(jì)算方案

顯然，研究洞段拱頂?shù)狡旅娴乇淼木嚯x越小，對(duì)控制圍巖的應(yīng)力和變形越不利，會(huì)影響開(kāi)挖襯砌施工的安全和順利進(jìn)行；如果拱頂和坡面的距離過(guò)大，勢(shì)必會(huì)增加引水隧洞的整體埋深，進(jìn)而大幅拉升開(kāi)挖工作量和施工成本[9]。因此，在保證施工安全的情況下，盡量減小拱頂和坡面地表的距離就具有重要的工程意義和價(jià)值，結(jié)合研究洞段的 實(shí) 際 情 況，設(shè) 計(jì)5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m、19m等8種不同的拱頂和坡面地表距離，對(duì)不同方案下的圍巖應(yīng)力和位移特征進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定最佳方案。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同計(jì)算方案下的圍巖位移量進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取出拱頂沉降位移、拱腰收斂位移和底板隆起位移值，并繪制出如圖2所示的位移量隨拱頂和坡面地表距離的變化曲線。由圖可以看出，隨著拱頂和地表距離的增大，拱頂沉降變形量和拱腰收斂變形量呈現(xiàn)出迅速減小并趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。具體來(lái)看，當(dāng)拱頂和地表的距離小于11m時(shí)，位移量的減小十分迅速，當(dāng)拱頂和地表的距離大于11m時(shí)，位移量的減小幅度較為有限。由此可見(jiàn)，在拱頂和地表的距離大于11m時(shí)，再增加拱頂和地表的距離對(duì)控制拱頂沉降變形和拱腰收斂變形的作用較為有限。從底板隆起變形來(lái)看，隨著拱頂和地表距離的增大，底板隆起變形量基本保持不變，說(shuō)明拱頂和地表的距離對(duì)隧洞底板變形的影響不大。綜上，拱頂和地表的距離對(duì)隧洞的拱頂沉降變形和拱腰收斂變形影響較大，拱頂和地表的距離為11m時(shí)可以獲得較好的圍巖變形控制效果，同時(shí)還有利于控制工程成本。

圖2 圍巖關(guān)鍵部位隨拱頂和地表距離變化曲線

3.2 最大主應(yīng)力

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同計(jì)算方案下的圍巖應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取出最大主應(yīng)力，并繪制出如圖3所示的最大主應(yīng)力隨拱頂和坡面地表距離的變化曲線。由圖可以看出，圍巖主應(yīng)力的最大值隨著拱頂和坡面地表距離的增大而迅速減小，最終趨于穩(wěn)定。具體來(lái)看，當(dāng)隧洞拱頂與坡面地表距離小于11m時(shí)，圍巖主應(yīng)力最大值減小較為迅速；當(dāng)拱頂和地表的距離大于11m時(shí)，再增大拱頂和地表的距離對(duì)控制圍巖主應(yīng)力并無(wú)十分明顯的作用。由此可見(jiàn)，從主應(yīng)力控制的視角來(lái)看，將隧洞拱頂和坡面地表的距離控制在不小于11m較為合適。此外，從主應(yīng)力的分布來(lái)看，隧洞開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的圍巖最大主應(yīng)力出現(xiàn)在距離坡面最近的右拱肩部位，在施工過(guò)程中需要對(duì)該部位予以重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 圍巖主應(yīng)力最大值隨拱頂與地表距離變化曲線

3.3 圍巖塑性區(qū)

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同計(jì)算方案下的圍巖塑性區(qū)范圍進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得不同計(jì)算方案下圍巖塑性區(qū)的面積。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖4所示的圍巖塑性區(qū)面積隨拱頂和坡面地表距離的變化曲線。由圖可以看出，圍巖塑性區(qū)面積的變化也呈現(xiàn)出和圍巖位移和應(yīng)力相似的變化規(guī)律。具體的來(lái)看，當(dāng)拱頂和坡面地表距離為5m時(shí)，圍巖塑性區(qū)的面積高達(dá)33.52m2，深度較大，圍巖整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生坍塌破壞，會(huì)對(duì)施工的安全進(jìn)行造成不利影響。隨著當(dāng)拱頂和坡面地表距離的增加，圍巖塑性區(qū)的面積迅速減小。當(dāng)拱頂和坡面地表距離達(dá)到11m時(shí)，圍巖塑性區(qū)的面積為11.38m2，與拱頂和坡面地表距離為5m時(shí)相比減小了約66.05%。當(dāng)拱頂和坡面地表距離大于11m時(shí)，圍巖塑性區(qū)的變化趨于穩(wěn)定，再增加拱頂和坡面的距離，對(duì)降低塑性區(qū)面積的作用不明顯。從塑性區(qū)的分布來(lái)看，隧洞右拱肩部位的塑性區(qū)面積和深度最大，在施工中要密切關(guān)注該區(qū)域的變化，并采取有效的支護(hù)措施。

圖4 圍巖塑性區(qū)面積隨拱頂與地表距離變化曲線

4 結(jié)論

此次研究以具體工程為背景，探討了引水隧洞和地表距離較小情況下的安全穩(wěn)定性，獲得的主要結(jié)論如下：

1）圍巖拱頂豎向位移和拱腰收斂位移、圍巖最大主應(yīng)力以及圍巖的塑性區(qū)面積隨著拱頂與坡面地表距離的增大呈現(xiàn)出迅速減小并趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。

2）結(jié)合計(jì)算結(jié)果，鑒于背景工程在施工過(guò)程中保持拱頂和坡面的距離不小于11m。

3）在隧洞施工過(guò)程中，右拱肩部位存在比較明顯的應(yīng)力集中和較大的塑性區(qū)范圍，需要予以重點(diǎn)關(guān)注。