黃土地區(qū)引水隧洞施工圍巖變形特征分析

苗孝哲

（中國水利水電第十一工程局有限公司,四川 成都 610200）

1 引言

隨著我國大開發(fā)的快速推進(jìn),黃土地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)隨之蓬勃發(fā)展。隧洞里程不斷增多。但由于黃土的物理力學(xué)特性較差,如果隧洞穿越黃土區(qū)域?qū)⒚媾R很多工程問題,嚴(yán)重影響隧洞的施工與安全運(yùn)營。

梁慶國等[1]基于MIDAS/GTS 研究了富水區(qū)黃土隧洞圍巖大變形控制技術(shù),并給出了4 種不同的加固措施,結(jié)果表明,帷幕注漿加固措施對(duì)于該富水黃土隧洞變形及結(jié)構(gòu)受力情況的控制效果最佳。李又云等[2]采用數(shù)值模擬研究了黃土隧洞圍巖流變對(duì)旋噴樁地基變形的影響。結(jié)果表明,加固后的地基與天然地基相比,回彈變形量僅為天然地基的0.1 倍。牛彥平等[3]研究了濕陷性黃土危巖變形特征。結(jié)果表明,降雨入滲會(huì)改變黃土的結(jié)構(gòu)特征,導(dǎo)致黃土隧洞圍巖發(fā)生大變形。王可用[4]認(rèn)為,濕陷性黃土的在遇水后承載力大幅降低,針對(duì)隧洞圍巖變形特點(diǎn),給出了圍巖支護(hù)措施和建議。李志清等[5]研究了大斷面黃土隧洞圍巖變形特征。結(jié)果表明,隧道拱腳是施工中的薄弱部位,實(shí)際工程中應(yīng)提高支護(hù)強(qiáng)度。此外,支護(hù)時(shí)機(jī)與強(qiáng)度對(duì)圍巖后期變形仍存在一定的影響。劉曉杰等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了富水深埋黃土隧洞變形規(guī)律及控制措施。結(jié)果表明,圍巖變形受降雨的影響較大,仰拱閉合支護(hù)可以顯著控制圍巖的大變形。賴金星等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段研究了軟弱黃土隧洞變形規(guī)律,提出了隧道變形預(yù)測(cè)模型,總結(jié)了黃土隧道圍巖變形的三個(gè)階段。扈世民等[8]采用三維數(shù)值模擬研究了大斷面黃土隧洞變形特征。結(jié)果表明,圍巖拱部豎向位移弱化較慢,邊墻水平位移弱化較快。此外,水平收斂普遍小于拱頂沉降。本文基于數(shù)值模擬研究某黃土區(qū)引水工程隧洞圍巖變形特征。

2 工程概況

研究隧洞位于西部黃土區(qū),總長度為1900 m,隧道最大和最小埋深分別為110 m 和20 m。區(qū)域貯存水分為松散巖類孔隙水,埋藏深度一般為40 m。地下水的補(bǔ)給形式主要以降雨為主,由于受補(bǔ)水條件的差異,研究區(qū)地下水埋深差異性較大。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行評(píng)價(jià)表明,研究區(qū)隧洞場(chǎng)地的土樣濕陷性比較輕微,其中取樣進(jìn)行的室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的黃土濕陷系數(shù)均在2%以下,說明隧洞黃土的工程性質(zhì)和壓實(shí)性較好,可以滿足工程要求。

圖1 隧洞斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 圍巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),匯總得到拱頂累計(jì)變形曲線,見圖2。結(jié)果表明,隧洞出口處的拱頂位移普遍大于入口處的位移,且累計(jì)下沉更大。對(duì)比出口左右兩線位移結(jié)果表明,右線拱頂下沉明顯大于左線,其中左線累計(jì)變形位移為45 mm,相同條件下右線累計(jì)變形為63 mm,右線比左線大28%。比較進(jìn)口左右兩線數(shù)據(jù)表明,進(jìn)口處拱頂變形較小,變化速率較慢,沉降比較均勻。

圖2 拱頂累計(jì)變形曲線

圖3 匯總得到隧洞斷面周邊變形曲線。結(jié)果表明,進(jìn)口收斂變形差異性較小,出口左線的變形收斂量最大為12 mm,出口右線收斂最小,僅為9.4 mm。這可能是由于初期支護(hù)導(dǎo)致的應(yīng)力重分布而造成襯砌前后側(cè)受壓增大,從而產(chǎn)生更大的位移。此外,隨時(shí)間增大,收斂變形量逐漸趨于平緩,最大位移滿足規(guī)范要求的安全性要求。

圖3 隧道斷面周邊變形曲線

圖4 匯總得到隧洞地表不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形曲線。結(jié)果表明,進(jìn)出口左右線地表沉降曲線變化規(guī)律基本一致,但出口處沉降值大于進(jìn)口處地表沉降值。其中出口最大值為70 mm,進(jìn)口最大值僅為34 mm。

圖4 隧道地表變形曲線

4 數(shù)值模擬分析

4.1 拱頂豎向變形

由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能獲取到部分?jǐn)?shù)據(jù),關(guān)于圍巖應(yīng)力無法通過實(shí)驗(yàn)獲取。因此本文在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證和分析。以深入了解隧洞在不同階段開挖時(shí)的變形分布規(guī)律。采用MIDAS/GTS 建立隧道模型,數(shù)值模型高度為200 m,縱向方向?yàn)?0 m。

圖5 匯總得到隧洞在不同開挖階段隧道豎向位移變形規(guī)律。結(jié)果表明,隧洞開挖的第一階段,拱頂處位移最大,最大值約為30 mm。此外,隧洞底部隆起22 mm；開挖結(jié)束后,拱底處的最大沉降為60 mm,隧洞底部兩側(cè)隆起最大為55 mm。與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),監(jiān)測(cè)得到的第一階段拱頂沉降最大值為20 mm,開挖結(jié)束后拱頂最大沉降為62 mm,可以發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致,且在隧洞進(jìn)行支護(hù)后位移趨于穩(wěn)定,證明數(shù)值模擬的可靠性。

圖5 隧道開挖不同階豎向位移變形

4.2 拱頂豎向應(yīng)力

圖6 匯總得到隧洞開挖不同階段豎向應(yīng)力云圖。結(jié)果表明,隧洞在經(jīng)過第一階段開挖和支護(hù)后,隧洞應(yīng)力發(fā)生了重新分布。其中在隧洞初襯兩側(cè)發(fā)生較大的應(yīng)力集中。最大值約為5 MPa,進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),錨桿加固對(duì)圍巖變形具有顯著的控制作用。隨著隧洞進(jìn)一步開挖,隧洞襯砌兩側(cè)應(yīng)力逐漸增大至6.0 MPa,而隧道頂部圍巖應(yīng)力約為2 MPa。

圖6 隧道開挖不同階段豎向應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

本文綜合采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬手段研究了黃土區(qū)隧洞在施工過程中的變形特征,得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隧洞拱頂位移變化速率和累計(jì)沉降值最大；出口右線的沉降速率比左線的更大,且右線拱頂最大沉降值為45 mm。與出口相比,進(jìn)口處的沉降值明顯較小。進(jìn)口處地面的最大沉降值為35 mm,出口處地面最大沉降為70 mm。

（2）建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算表明,實(shí)測(cè)隧洞開挖結(jié)束的拱頂最大沉降為60 mm,而數(shù)值模擬結(jié)果為78 mm,兩者相對(duì)誤差在20%以內(nèi),證明了數(shù)值模擬的可靠性；隨著隧洞的開挖,隧洞應(yīng)力發(fā)生重分布,其中襯砌兩側(cè)發(fā)生應(yīng)力集中,最大值為6.0 MPa,隧洞頂部圍巖應(yīng)力約為2 MPa。