顧博凱

（遼寧凌河水利電力建設(shè)有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 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(shí)間成本，在最近幾十年被大量運(yùn)用，對(duì)此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。李彬等[1]研究陜南隧道地應(yīng)力情況，獲得了隧道地應(yīng)力分布特征，由地應(yīng)力的情況可對(duì)隧道的設(shè)計(jì)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(duì)統(tǒng)一解進(jìn)行討論與應(yīng)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(guò)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(huì)變化。陳文旭[4]針對(duì)廣州地區(qū)隧道價(jià)格指導(dǎo)文件多而不全問(wèn)題，對(duì)該類問(wèn)題進(jìn)行深入調(diào)研與分析，建立起一套隧道工程計(jì)價(jià)方法，工程應(yīng)用案例表明，該定價(jià)方法工程實(shí)用性強(qiáng)。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(yàn)證了模型的可行性，研究結(jié)果表明：該方法計(jì)算得到的管線沉降和彎矩比更加符合工程實(shí)際。王玥等[6]為解決隧道工程注漿問(wèn)題，試驗(yàn)應(yīng)用偏鋁酸鈉改性水玻璃漿液，實(shí)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(yàn)段管廊施工時(shí)，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(duì)巖溶區(qū)隧道突涌水進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)出不考慮溶腔體積時(shí)的最優(yōu)設(shè)計(jì)厚度表達(dá)式。汪平[9]比較分析了國(guó)內(nèi)外高速鐵路隧道仰拱棧橋運(yùn)行方式和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了全弧模板和中心水溝模板一體化設(shè)計(jì)方案。實(shí)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(wèn)題，建立數(shù)值模型，探究不同工況對(duì)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(méi)有分析雙拱引水隧道在施工過(guò)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(duì)隧道的受力和位移進(jìn)行研究。

2 工程概況

該工程屬于引水隧道工程，隧道全長(zhǎng)182 m，暗洞段長(zhǎng)146 m，隧道口最大埋深26 m，地質(zhì)條件為V級(jí)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(jiàn)圖1。

圖1 隧道受力示意圖

經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘察隧道區(qū)域巖土體從上至下依次為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)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(jiàn)圖2，數(shù)值模擬隧道研究區(qū)域450 m×320 m×160 m（長(zhǎng)×寬×高），因?yàn)樗ㄋ淼绤^(qū)域?yàn)椴灰?guī)則的形狀，結(jié)合以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)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(jiàn)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(fēng)化土體本構(gòu)模型采用莫爾庫(kù)侖，風(fēng)化巖和硬巖采用的是彈性本構(gòu)，二襯采用梁?jiǎn)卧?，梁?jiǎn)卧捎娩摰膶傩?，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(gè)單元，以便對(duì)隧道區(qū)域進(jìn)行更為精確的計(jì)算，巖土體區(qū)域每2.5 m劃分一個(gè)單元，以便提高計(jì)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(jìn)行劃分。數(shù)值模擬共計(jì)398012 個(gè)單元，452026 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 模擬的結(jié)果

數(shù)值模擬計(jì)算至引水隧道最大不平衡力與平衡力比值達(dá)到1×10-6時(shí)停止，模擬結(jié)果選取引水隧道的豎向位移、第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，見(jiàn)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(yīng)力（單位：kPa）

引水隧道開挖完成以后，隧道的豎向位移見(jiàn)圖4。由圖5可知，隧道最大豎向位移為3.4 mm，因?yàn)榇宋灰扑急壤齼H為1.8%，且僅集中于拱底，由于此位移不超過(guò)5 mm，且所占比例不大，可認(rèn)為此位移是在工程允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)工程造成不良影響。不超過(guò)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(shuō)明施工過(guò)程中拱底是需要防治的重點(diǎn)。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(guò)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(guò)1 mm，說(shuō)明隧道的設(shè)計(jì)是滿足要求的。

圖5 引水隧道所受第一主應(yīng)力（單位：kPa）

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

第一主應(yīng)力集中區(qū)域位于開挖隧道附近，說(shuō)明開挖過(guò)程中確實(shí)對(duì)周圍巖土體造成了一定程度的擾動(dòng)，因此在施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照施工要求和進(jìn)度進(jìn)行開挖支護(hù)，以防止出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

引水隧道所受的第三主應(yīng)力見(jiàn)圖6。由圖6可知，隧道周圍所受第三主應(yīng)力值最大，數(shù)值最大為1.9 kPa，此應(yīng)力僅占0.8%，主應(yīng)力超過(guò)0.8 kPa的巖土體所占比例也不超過(guò)12%，同樣說(shuō)明開挖不會(huì)對(duì)周圍巖土體的受力造成應(yīng)力集中，受力較為均勻，也在工程允許的范圍內(nèi)。第三主應(yīng)力集中區(qū)域位于開挖隧道附近，說(shuō)明開挖過(guò)程中確實(shí)對(duì)周圍巖土體造成了一定程度的擾動(dòng)，尤其在右洞右側(cè)，第三主應(yīng)力值明顯較左洞左側(cè)值大，說(shuō)明在隧道開挖過(guò)程中，尤其應(yīng)當(dāng)注意對(duì)右側(cè)支洞的防護(hù)，及時(shí)做好錨桿和相應(yīng)的防護(hù)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(huì)對(duì)工程造成安全隱患。

（2）由第一主應(yīng)力可知：拱底處所受的第一主應(yīng)力數(shù)值較大，但是所占比例不大，說(shuō)明開挖過(guò)程中確實(shí)對(duì)周圍巖土體的受力造成了一定的影響，由此可知，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行施工，避免施工不當(dāng)造成隧道受力過(guò)大，而導(dǎo)致影響工程事故安全的事情發(fā)生。

（3）由第三主應(yīng)力可知：引水隧道所受第三主應(yīng)力值均控制在合理范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)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(yīng)力明顯較左側(cè)大，因此應(yīng)當(dāng)尤其注意右側(cè)區(qū)域的防護(hù)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合一引水隧道開挖項(xiàng)目，進(jìn)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(shuō)明隧道的支護(hù)措施和方案是合理有效的；

（2）隧道數(shù)值模擬第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力數(shù)值可知，施工對(duì)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(shí)應(yīng)當(dāng)注意隧道右側(cè)和拱底處的防護(hù)，嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行施工，以保證開挖的安全；

（3）本文的研究暫時(shí)沒(méi)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(jìn)一步深入研究。