典型不良地质条件下输水隧洞安全分析

郑汉种，魏海云，李 丹，赵震波

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020)

0 引 言

输水隧洞工程是隐蔽工程，经常会遇到岩溶、软弱夹层等不良地质，围岩周边岩溶的存在不仅在施工期时容易发生涌水突泥，在运行期也极有可能导致水量渗漏损失[1]，软弱夹层的存在降低了围岩的整体强度，处理不当可能导致隧洞围岩的局部失稳甚至产生大范围的崩塌[2]，引起施工进度拖延，甚至导致人员伤亡，造成严重的质量和安全事故。

隧洞结构与围岩是一个受力整体，可采用连续介质力学为基础的方法来设计和研究隧洞结构[3]。然而，由于数学计算上的困难，这些方法在实际工程中运用还相当有限。随着计算机的推广和岩土介质本构关系研究的进步，数值计算方法在隧洞结构计算中有了很大的发展，赵明阶等[4]运用二维弹塑性分析研究了隧道顶部不同大小、不同距离的溶洞对隧道围岩稳定性的影响；谭代明等[5]利用有限差分软件FLAC3D对侧部含有溶洞的隧道围岩稳定性进行数值模拟研究，并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析；翁振奇等[6]运用Abaqus模拟隧道周围不同位置存在隐伏溶洞时的状况，得出了隐伏溶洞对隧道位移、应力以及塑性区范围的影响；张志强等[7]建立含弱夹层不同的限元分析模型，分析不同级别围岩下软弱夹层对地下洞室围岩的影响。但是，当隧洞四周完全被溶洞所包围和隧洞拱顶处同时有软弱夹层存在时，对工程有何种影响还并未研究。为此，本文针对千岛湖输水隧洞面临的不良地质问题，采用数值模拟方法，分别进行含溶洞、软弱夹层工况下隧洞结构的稳定性分析，为输水隧洞施工安全提供参考。

图1 岩溶段隧洞分布

1 工程概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水，通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库，同时在输水线路途中向建德市、桐庐县及富阳区部分区域供水。本工程为一等工程，千岛湖进水口、输水隧洞、分水口、出口流量控制建筑物等主要建筑物为1级建筑物。输水隧洞全线共分16个施工标段，存在岩溶等地质问题的主要为施工2标。施工2标位于建德市境内，工程范围为洪秋塘支洞控制段～樟村支洞控制段，隧洞桩号K12+608.05～K12+671.00段局部穿越坡积含碎石粉质粘土及溶洞泥质充填物，土体饱和可塑，土质较松散，基础较差；桩号K12+660.00～K12+680.00段左侧存在大型溶洞，溶洞顶高程约77.2 m，横向宽度至少25 m。岩溶段隧洞分布见图1。溶洞实际情况见图2。

图2 溶洞现场

2 数值计算模型及参数

2.1 计算模型

本次分析建立施工期隧洞初衬时的简化数值计算模型，模型隧洞长度为10 m，隧洞底部至模型顶部为180 m，隧洞底部至模型底部为60 m，模型宽为200 m。根据工程实际地质情况，分别建立3种不同的工况：①正常工况。隧洞穿过IV类围岩，无其他不良地质条件；②含溶洞工况。隧洞四周被溶洞所包围，根据工程中溶洞实际的大小建立简化溶洞模型；③含软弱夹层工况。隧洞拱顶处存在1条厚2 m的水平夹层，根据工程实际支护，建立衬砌和锚杆模型。数值模型见图3。

图3 数值模型

2.2 计算参数

本文计算参数的选取参考了工程已有试验结果和部分国内外隧洞的研究资料，采用M-C弹塑性本构模型。计算参数见表1。

表1 计算参数

3 计算成果分析

3.1 位移分析

表2为不同工况下隧洞各位置最大位移。图4～6为各工况下隧洞结构位移。分析可知：

表2 不同工况下隧洞各位置最大位移 mm

图4 正常工况位移云图

图5 含溶洞工况位移云图

图6 含夹层工况位移云图

(1)正常工况下，隧洞衬砌结构中，拱顶处位移最大，为3.48 mm，拱脚处次之，拱腰处位移最小。因隧洞开挖后应力回弹，拱底处位移较衬砌结构大，最大位移为5.59 mm。

(2)含溶洞工况下，隧洞衬砌结构中，拱脚处位移最大，为4.70 mm，拱腰处次之，拱顶处位移最小，拱底最大位移为4.70 mm。相对于正常工况，拱顶处位移变化不大。由于隧洞受到两侧溶洞的影响，拱腰和拱脚处位移分别增加了134.9%和57.7%，增加幅度较大；右侧的溶洞较大一些，导致衬砌结构右侧位移大于左侧位移。拱底处位移略有减小，这是由于施工时将溶洞内的杂质清除，并回填了混凝土，拱底处结构弹性模量变大，导致位移变小。

(3)含夹层工况下，隧洞衬砌结构中，拱顶处位移最大，为3.80 mm，拱脚处次之，拱腰处位移最小，拱底最大位移为5.93 mm。相对于正常工况，隧洞结构各部位位移均略有增大，拱顶、拱腰、拱脚和拱底处位移分别增加了9.2%、9.1%、5.0%和6.1%。因隧洞受到拱顶处软弱夹层的影响，拱顶和拱腰处位移增大幅度略大一些。

3.2 应力分析

表3为围岩各位置最大主应力。图7～9为隧洞主应力。分析可知：

(1)正常工况下，隧洞各位置最大主应力均小于0，为压应力，隧洞衬砌结构拱顶处压应力最大，拱腰处次之，拱脚处应力最小。因隧洞开挖后应力回弹，拱底应力较小。

表3 不同工况下隧洞各位置最大主应力 MPa

(2)含溶洞工况，隧洞衬砌结构的拱腰和拱脚均存在拉应力，不利于结构的稳定，拱顶和拱底处为压应力。相对于正常工况，含溶洞工况下，由于受到两侧溶洞的影响，隧洞应力集中在拱腰位置，存在着拉应力，隧洞两侧溶洞大小的不同，导致应力在拱腰处的分布存在着差异性。

(3)含夹层工况下，隧洞各位置最大主应力均小于0，为压应力，隧洞衬砌结构，拱顶处压应力最大，拱腰处次之，拱脚处应力最小，拱底应力较小，最大压应力为1.22 MPa。相对于正常工况，拱顶处压应力无明显变化，其他位置压应力均有一定幅度的增大。

图7 正常工况应力

图8 含溶洞工况应力

图9 含夹层工况应力

综合隧洞结构位移和应力分析结果可知，含溶洞工况下，拱腰和拱脚处的位移和应力均有大幅度的增大。实际施工时可对拱腰和拱脚部位加强监测工作，做好加固措施。含软弱夹层工况降低了隧洞围岩的整体刚度，隧洞结构各部位的位移均略有增大，在实际施工时，可对该位置隧洞结构进行锚杆支护时适当加密或增大衬砌混凝土的强度。

4 结 语

本文结合千岛湖配水工程实际情况，通过数值模拟方法，对输水隧洞结构正常工况、含溶洞工况和含夹层工况的稳定性进行分析，得出以下结论：

(1)正常工况下，隧洞衬砌结构，拱顶处位移最大，拱脚处次之，拱腰处位移最小。因隧洞开挖后应力回弹，拱底处位移大于衬砌结构。含溶洞工况下，隧洞衬砌结构的拱腰和拱脚处位移均有较大幅度的增大，隧洞右侧位移大于左侧位移。含夹层工况下，隧洞衬砌结构的拱顶和拱腰处位移增大幅度略大一些，其他各个位置的位移均有一定幅度的增大。

(2)正常工况下，隧洞各位置均为压应力。含溶洞工况下，隧洞应力集中在拱腰处，存在拉应力，两侧的溶洞大小的不同导致应力在隧洞两侧的分布存在差异性。含夹层工况下，拱顶处压应力无明显变化，其他位置压应力均有一定幅度的增大。

(3)含溶洞工况下，隧洞拱腰和拱脚处受到的影响较大，实际施工时可对隧洞拱腰和拱脚处加强监测工作，做好加固措施。含软弱夹层工况降低了隧洞围岩的整体刚度，在实际施工时对该位置隧洞结构锚杆支护时进行适当加密或增大衬砌混凝土的强度。