某水庫泄水隧洞深基坑開挖施工中隔離墻的作用

楊寧

（山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

某水庫工程始建于2019 年，其泄水隧洞位于水庫大壩右岸，隧洞入口與壩腳相距198 m，泄水隧洞設(shè)計(jì)長度521.47 m，屬于Ⅰ級(jí)建筑物。該泄水隧洞于2019年9月完成基坑開挖，隨即進(jìn)行了進(jìn)出口閘門和啟閉機(jī)安裝，其進(jìn)口事故檢修閘門采用潛孔式平面定輪鋼閘門，而出口工作閘門采用弧形鋼閘門。泄洪形式為泄水隧洞和溢洪道聯(lián)合泄洪，汛限水位按照96.40 m設(shè)計(jì)，出口工作閘門擋水位98.80 m。該泄水隧洞工期緊張，開挖分上下兩部分進(jìn)行，開挖量分別為9.40萬m3和14.70萬m3。該隧洞開挖施工必將對(duì)水庫既有建筑物造成不利擾動(dòng)和影響，為此，必須在開挖期間采取有效保護(hù)措施。

2 隔離墻作用模擬

2.1 模型構(gòu)建

該水庫泄水隧洞深基坑開挖施工對(duì)水工隧洞位移的影響具體見圖1，從圖中可以看出，d=1.20 m的地連墻和d=0.80 m的隔斷墻兩部分共同構(gòu)成隔離墻結(jié)構(gòu)，連接兩者的主要是直徑1 m的連系墻；水工隧洞設(shè)計(jì)直徑6 m，地層結(jié)構(gòu)從上至下依次為雜填土層、粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂土層、砂巖層，土層物理力學(xué)參數(shù)具體見表1。為進(jìn)行隔離墻建設(shè)前后對(duì)水工隧洞位移可能影響的分析，還應(yīng)在水工隧洞四周設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 水工隧洞深基坑開挖模型剖面圖

基于以上調(diào)查，應(yīng)用MIDAS有限元分析軟件構(gòu)建隔離墻對(duì)水工隧洞深基坑開挖可能影響的三維有限元模型，具體見圖2，共包括22 348個(gè)單元和15 183個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮到基坑實(shí)際尺寸過大，為防止出現(xiàn)模型邊界效應(yīng)，根據(jù)Saint Venant’s Principle，應(yīng)按照基坑開挖深度的3～6倍確定模擬邊界。泄水隧洞襯砌及隔離墻結(jié)構(gòu)均使用C35 混凝土材料，隔離墻設(shè)計(jì)厚度0.80 m。所構(gòu)建的有限元模型在基坑開挖次序、開挖深度、隔離墻結(jié)構(gòu)及土層分布等方面與圖1基本一致，以該模型為依托進(jìn)行隔離墻設(shè)置前后，深基坑開挖施工對(duì)水工隧洞位移影響的分析。

圖2 三維有限元模型圖

2.2 模擬步驟

在構(gòu)建起該水庫泄水隧洞深基坑開挖及隔離墻分析模型后施加重力荷載，并確定邊界約束條件，通過勾選位移清零后得出初始應(yīng)力場(chǎng)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水工隧道深基坑開挖過程模擬，勾選位移清零以忽略深基坑開挖施工前水工隧洞變形。施工隔離墻，依次按照設(shè)計(jì)深度設(shè)置第一道支撐，開挖第一層土，設(shè)置第二道支撐，再開挖第二層土，并最終開挖至基坑底部，施作基坑底板和支護(hù)錨桿。

3 結(jié)果與分析

在該泄水隧洞深基坑開挖施工前在隧洞拱頂布置測(cè)點(diǎn)，展開原位測(cè)試。該水工隧洞起點(diǎn)和終點(diǎn)里程分別為K14+460和K14+555，按照10 m間隔在隧洞拱頂共布設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.1 對(duì)土體的保護(hù)作用

隔離墻建設(shè)后對(duì)水庫泄水隧洞四周土體橫向位移、縱向沉降位移等均存在一定程度的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，在隔離墻建成前后不同埋深下的土體表現(xiàn)出基本一致的橫向位移，且隨著土層埋深的持續(xù)增大，橫向位移先增大后減??；隔離墻建成后不同埋深范圍內(nèi)的土體橫向位移均勻程度顯著提升，且橫向位移最大值出現(xiàn)在15 m 埋深處，隔離墻建設(shè)前后周圍土體橫向位移最大值分別為5.54 mm 和3.78 mm，隔離墻建成后使周圍土體位移平均降低24.9%，也說明隔離墻對(duì)周圍土體橫向位移具有明顯的抑制和保護(hù)作用。見圖3（a）。

此外，周圍土體豎向沉降隨著橫向距離的增大而先增后降，最后趨于1.29 mm 的穩(wěn)定值，而未設(shè)置隔離墻情況下穩(wěn)定后的沉降值為1.53 mm。通過分析發(fā)現(xiàn)，隔離墻設(shè)置后能使水工隧洞深基坑開挖過程中土體橫縱向位移明顯降低，起到有效的土體保護(hù)作用。見圖3（b）。

圖3 隔離墻建成前后隧洞周圍土體位移圖

3.2 對(duì)水工隧洞的保護(hù)作用

根據(jù)對(duì)隔離墻設(shè)置前后水工隧洞橫縱向位移情況的比較分析得出，隔離墻設(shè)置后隧洞不同部位水平位移均比不設(shè)置隔離墻時(shí)低，且由于隧洞左側(cè)臨近基坑開挖施工區(qū)域，故左側(cè)位移明顯比右側(cè)高，而隧洞頂?shù)撞课灰拼笾鲁蕦?duì)稱形式。隔離墻建成前水工隧洞左右側(cè)及底部z向位移明顯比建成后大，這也說明隔離墻的建設(shè)對(duì)抑制隧洞整體下沉、保證隧洞結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定具有積極作用。

3.3 位移三維云圖分析

根據(jù)所得到的隔離墻建成前后該水庫泄水隧洞—接坑—周圍土體水平位移三維云圖可以看出，不同部位橫向位移分布存在較大差異，且深基坑底部橫向位移最大，而基坑兩個(gè)底角位移呈對(duì)稱分布。在相同部位建設(shè)隔離墻后隧洞四周橫向位移明顯減小，也說明隔離墻建成后可有效降低橫向位移，對(duì)深基坑周圍土體起到保護(hù)作用。

此外，分析隔離墻建成前后泄水隧洞豎向位移三維云圖可看出，隧洞豎向位移基本表現(xiàn)出頂部最大的對(duì)稱分布趨勢(shì)，且隔離墻建成前后隧洞頂部豎向位移最大值分別為2.38 mm 和2.01 mm，降幅達(dá)15.55%，意味著隔離墻的建設(shè)能顯著降低隧洞豎向位移，對(duì)泄水隧洞及深基坑周圍土體豎向沉降起到保護(hù)。

4 結(jié)論

綜上所述，隔離墻的建設(shè)對(duì)于水庫泄水隧洞深基坑開挖施工范圍內(nèi)土體具有顯著的保護(hù)作用，能明顯降低土體橫豎向位移；同時(shí)還能對(duì)水工隧洞起到保護(hù)，隔離墻建成后隧洞不同部位水平位移及整體下沉將明顯降低。該水庫泄水隧洞深基坑開挖過程中按照文章的設(shè)計(jì)進(jìn)行了隔離墻設(shè)置，此后基坑開挖施工對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)及周圍土體的擾動(dòng)完全符合文中相關(guān)分析，且隔離墻保護(hù)作用的發(fā)揮還與其自身結(jié)構(gòu)長度有關(guān)，為此必須在分析的基礎(chǔ)上，對(duì)隔離墻最優(yōu)長度展開分析，以更加有效地指導(dǎo)工程實(shí)踐。