循环开挖下的水工隧道成洞质量数值研究
时间：2023-06-25 19:20:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙显聪
(中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311100)
水工隧道按其作用方式分为有压水工隧道和无压水工隧道两种，集发电、通航、输水等功能为一体，是水利枢纽的重要组成部分[1-2]。水工隧道的修建虽然在完善水利枢纽功能、提供社会便利方面上起到不可或缺的作用，但在施工过程中存在的问题仍然需要引起重视[3]。如在小断面水工隧道施工工程中，由于施工技术要求较为严格，以及需要考虑地基沉降等多种内外部因素，加之水工隧道本身在复杂环境中危险性较高，因此往往导致水工隧道出现沉降、变形甚至坍塌等现象[4]。尤其在土质、岩质承载能力较弱或水下区域受力较为复杂的区域，由于土质、岩质较为松散，在水工隧道开挖施工中往往难以进行有效开挖以及隧道的支护。因此，只有在开挖前对其所在区域的地质、岩体类别、最大承载力等关键参数进行准确设计，才能避免对水工隧道施工产生的影响[5]。但在实际工程中，由于不同地域地质环境、岩体类别等不同，往往导致实际过程中针对水工隧道开挖支护的参数设计在浪费大量人力物力的同时，其实际应用效果得不到保证。
为此，许多学者通过数值分析方法对水工隧道进行研究。如李燕波[6]针对新疆某引水隧道，采用ANSYS建立热-固耦合模型，并对伴有高温热害的隧道结构受力特征进行分析，发现通过在围岩与混凝土之间设置隔热层能够有效避免结构因受热发生的变形，来满足工程对安全性的要求。卞康[7]在连续介质理论及弹性损伤理论的基础上，提出一种可以应用于高压水工隧道估算渗水量的方法，并通过该方法建立的模型与高压隧道的实际监测数据进行对比，发现隧道的渗水量与衬砌裂缝开度存在一定的相关性，且在隧道尚未形成明显渗漏通道的情况下，研究结果与实测结果相关性较高。虽然上述研究针对水工隧道的施工稳定性进行了大量论证，但鲜有研究涉及具体开挖过程中的支护参数设计等方面。
本文以某地实际工程中的隧道某标段为研究对象，采用三维有限元模拟软件FLAC3，对该隧道在不同开挖循环周期下的扰动和沉降位移等参数进行研究分析，为实际工程中水工隧道的支护设计与质量把控提供一定的理论参考依据。
本文研究的水工隧道位于某市东北部，该水工隧道属于水库A，水库所在区域属于亚热带季风湿润气候，全年降雨量较为充沛。其中，水库控制的径流面积18.83km2，2018-2021年监测到的平均径流量为425.9×104m3。该水库所在坝区的河流流域面积为19.2 km2，其中主河道全长5.99km，各支流的河道平均坡度为0.52%。流域区域总体呈扇形分布，其中流域所在区域最高海拔为2198m，最低海拔为水库所在区域的1 424m。根据当地气象局2018-2021年的资料显示，库区每年最高气温在7-9月份，温度30℃～35℃；
3年间每年最低气温主要集中在11月份至次年1月份，温度5℃～10℃。该水工隧道全长为1 860.5m，本文主要研究该水工隧道的DM5+400.8～DS5+751.3标段。
水工隧道所在库区地质构造较为丰富，地形较为复杂，地表完整，基岩裸露于地表之上。其中，位于隧道顶端的岩体厚度为8～16m，地质构成主要为白垩系上统江底黄褐色粉砂岩段，主要包含黄褐色泥岩、黄褐色粉砂泥岩、黄灰色以及灰绿色泥岩石英砂岩与泥灰岩、泥质粉砂岩。隧道所在区域岩层倾角较小，为22°～32°。水工隧道的输水隧道位于水库A左岸的上游，距离主坝区166.4m。隧道的进出口部分岩体较为稳定，未发现有滑坡、崩塌等不良地质现象。但在隧道外部裸露与地表的岩体表现为强风化特征，总体完整性较差，节理裂隙中未发现其他填充物，该标段的地表裸露岩体差异性风化较为显著，属于Ⅳ～Ⅴ类围岩。
2.1 模型建立
本文利用三维有限元模拟软件FLAC3D，在结合具体工况的情况下对隧道计算模型进行建模，模型地基尺寸选取60m×50m×50m。在该尺寸下，边界范围控制在引水隧道高度的5倍，可有效控制边界效应影响效果。模型共包含35 548个节点与186 564个单元，其中位于水工隧道上方的岩体厚度控制在4.5m，隧道直径设置为3m，隧道上方风化层厚度设置为2.5m，隧道内部的衬砌厚度设定为0.3m，隧道内部衬砌每立方米质量为2 500kg，杨氏模量设为3.2×104MPa。隧道的开挖掘进方式为循环开挖模式，其工况共分为25步进行模拟，循环开挖过程中进尺为1.5m，在总体工况下的循环开挖中，每次循环之后需要对隧道内部的岩体弱化值进行计算。隧道三维计算模型见图1。
图1 隧道三维计算模型
2.2 各参数值确定
隧道上方各岩体类型及设置的物理参数见表1。
表1 各岩体类型及设置的物理参数指标
2.3 ALE模拟算法
针对水工隧道的开挖与支护，为了避免单元出现畸形现象而导致的计算停止等问题，本文采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)法对其进行求解，该方法对各岩层之间力的耦合动态研究具有较好效果。针对ALE法，首先需要确定方程，进行显示Lagrangian计算；
其次，通过显示Lagrangian进行迭代计算，分解其初始值与分量；
最后对模型进行重新网格划分，求解并确定各网格之间的分量大小。基于ALE构建方程，由Gauss定理以及非连续介质理论，可以确定t时刻对应的物理量积分计算式为：
(1)
式中：ξ为参考线；
Ωξ为物质的点体积；
ɡ(ξ，t)为t时刻对应的物理量。
而在t时刻的Euler坐标系下的物理量积分计算式表示为：
(2)
式中：x为参考线；
Ωx为物质的点体积；
ɡ(x，t)为t时刻对应的物理量。
在式(1)和式(2)计算过程中，两式之中的物质点体积Ωξ、Ωx会随着时间的变化而发生变化。因此上述两式可表示为：
(3)
(4)
3.1 隧道沉降分析
由于将工况分为25步进行模拟，若逐步分析工作量巨大。因此，本文选取具有代表性的第15步和第25步工况进行分析，其中第25步工况代表开挖完成时的工况。基于此两种工况，针对隧道中的扰动层及衬砌的相关变化，对扰动层和衬砌在强参数和弱参数下的沉降及应力变化特征进行总结分析。首先针对扰动层及隧道的沉降进行分析，本文选取开挖至第15步工况时的扰动层强参数及弱参数下的沉降变化数据，并绘制出开挖至第15步工况时的不同参数下扰动层沉降曲线。见图2。
图2 开挖至第15步工况时的不同参数下扰动层沉降曲线
由图2可知，以隆起值变化特征来看，随着黏聚力的增大，沉降隆起值会随之减小，且在隧道道口附近时沉降隆起值降幅为最低。对比岩体不同参数可知，弱参数值下，隧道沉降位移普遍偏高，在岩体强度参数值提升后，在强参数下扰动层的沉降会逐渐减小。该结果表明，在实际水工隧道开挖过程中，岩体强度较弱时，在开挖面应进行支护措施和工作面的封闭施工。
为了完整考虑隧道在施工过程中的扰动层及沉降变化特征，还需对开挖完成时的隧道扰动层沉降位移进行分析。因此，本文选取完成时(第25步工况)的隧道岩体扰动层强参数及弱参数下的沉降变化数据，并绘制出开挖完成时的不同参数下扰动层沉降曲线。见图3。
图3 开挖完成时的不同参数下扰动层沉降曲线
从图3中可以看出，同开挖至第15步工况时的变化特征类似。在对比岩体不同参数可知，弱参数值下，隧道沉降位移普遍偏高；
在岩体强度参数值提升后，在强参数下扰动层的隆起值会逐渐减小，但随着距隧道洞口距离越远，不同参数值下的沉降位移会逐渐接近，区别逐渐不显著。
3.2 隧道衬砌的应力分析
为了探究隧道沉降的内在机理，需要针对扰动层及隧道衬砌的应力变化进行分析。本文选取开挖至第15步工况时的扰动层及隧道衬砌在强参数及弱参数下的应力变化数据，并绘制出开挖至第15步工况时的不同参数下扰动层及衬砌应力变化曲线。见图4。
从图4中可以看出，随着距隧道洞口距离的增加，不同参数下的压应力呈现出增长的趋势，但增长幅度较小，而拉应力呈现出降低的趋势，整体降幅相较于压应力较大。对比同一应力下的强弱参数变化特征可以发现，在弱参数下，拉压应力均处在较大水平；
而在参数得到加强后，应力水平均大幅降低，且拉应力最为显著。该现象表明，在岩体强度较差的地段，发生坍塌概率较大。因此，在岩体强度较差的地段需及时进行支护，保障后续施工。
图4 开挖至第15步工况时的不同参数下扰动层及衬砌应力变化曲线
为了对开挖完成时的扰动层及衬砌应力变化进行分析，本文选取完成时(第25步工况)的扰动层及衬砌在强参数及弱参数下的应力变化数据，并绘制出开挖完成时的不同参数下扰动层及衬砌应力变化曲线。见图5。
图5 开挖完成时的不同参数下扰动层及衬砌应力变化曲线
从图5中可以看出，随着距隧道洞口的距离增加与参数值的增强，相较于压应力，拉应力的总体减小幅度更大，且随着参数值的弱化，会导致岩体周围出现应力集中的现象。因此，该区间段的岩体出现沉降坍塌的可能性较大。
本文以某地实际工程中的隧道某标段为研究对象，采用三维有限元模拟软件FLAC3D，对该隧道在不同开挖循环周期下的沉降位移及应力等参数进行研究，并通过对第15步及第25步工况下的沉降及应力变化趋势进行分析。结论如下：
1)在开挖至第15步工况时，弱参数值下，隧道沉降位移普遍偏高；
在岩体强度参数值提升后，在强参数下，扰动层及隧道的沉降量会逐渐减小。
2)开挖至第15步工况时，不同参数下的压应力呈现出增长的趋势，但增长幅度较小；
而拉应力呈现出降低的趋势，整体降幅相较于压应力较大，且在弱参数下，拉压应力均处在较大水平；
而在参数得到加强后，应力水平均大幅降低，且拉应力最为显著。
3)在实际水工隧道开挖过程中，针对岩体物理性质较差的地段，在开挖面必须采取支护措施和工作面的封闭施工。
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