埋深对浅埋输水隧洞开挖衬砌施工安全性的影响研究

郭佳桐

（辽宁省石佛寺水库管理局有限责任公司，辽宁 沈阳 110055）

1 工程背景

庄河抽水蓄能电站位于大连庄河市步云山乡和桂云花乡境内，为日调节抽水蓄能电站，设置4台250MW机组，装机容量1 000MW。电站主要建筑物由上水库、输水系统、地下厂房系统、尾水系统及下水库等建筑物组成。其中，上水库位于蒲东沟沟脑部位，下水库位于宫屯村附近的蛤蜊河上，坝址位于宫屯村上游约280m的沟谷处，输水系统和地下厂房位于上、下水库间的山体内。上水库正常蓄水位390.0m，死水位356.0m，调节库容981万m3，死库容23万m3，采用沥青混凝土面板挡水。下水库正常蓄水位151.0m，死水位139.0m，调节库容1 122万m3，死库容233万m3，大坝为碾压混凝土重力坝。引水系统采用一洞两机的布置型式，尾水系统采用一洞一机的布置型式，引水系统建筑物包括上水库进、出水口、引水事故闸门井、引水隧洞、引水调压井、高压管道，尾水系统建筑物包括尾水隧洞、尾水事故兼检修闸门井和下水库进、出水口等。

引水发电系统的1#引水隧洞位移左侧山体内。受到地形和地质条件的影响，在桩号2＋103—2＋155洞段需要穿过浅埋区，隧洞距离坡面的距离较小。该洞段的地表地形为河谷坡地，为中间高、两头低的馒头山状。由于工程项目区为湿润地区，大气降水充足，因此地下水赋存丰富，主要为裂隙水。岩体风化层孔隙水。由于研究洞段埋藏较浅，地质环境复杂，给开挖施工造成了一定的难度[1]。基于此，此次研究通过数值模拟的方法，探讨隧洞埋深对开挖施工安全性的影响，为工程设计提供必要的支持和借鉴。

2 有限元计算模型

2.1 计算软件

ABAQUS是一款大型通用有限元软件，在岩土工程模拟研究领域具有不可比拟的优势。该软件不仅具有强大的非线性处理能力，提高模拟计算的效率和质量，还可以提供丰富的岩土材料本构模型[2]。同时，其还可以提供程序的二次开发接口，可以自定义材料的特征和单元类型，可以使用户方便快捷的解决相关工程问题。Midas GTS也是一款岩体工程领域常用的有限元分析软件，在前处理建模方面具有独特的优势[3]。基于此，此次研究利用Midas GTS软件，建立符合实际工程情况的几何模型，并将其导入到ABAQUS软件中，进行隧洞开挖支护过程模拟[4]。

2.2 计算模型的构建

结合圣维南原理和相关研究实践，在地下洞室工程开挖之后，围岩应力会随着和洞心距离的增大而减小，在5倍洞径的部位，应力变化量不超过3%，可以忽略不计[4]。考虑背景工程的设计资料和地形、地质情况，模型选择水平方向的模拟范围为40 m，竖直方向向下取30 m，向上至地表。对隧洞开挖支护过程中的围岩岩体和注浆加固区采用3D实体单元模拟，衬砌采用2D板单元模拟[5]。锚杆和超前小导管采用1D植入式桁架进行模拟。为保证模型的计算精度，对隧洞周边围岩进行加密处理，整个有限元模型划分为13 357个网格单元，16 689个节点。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.3 约束条件与计算参数

在地下洞室工程模拟计算过程中，最常用的的是Drukle-Plager屈服准则和Mohr-Coulomb屈服准则[6]。其中，Mohr-Coulomb屈服准则可以有效反映围岩岩体的抗压强度不同的S-D效应和水压力敏感性[7]。因此，在此次研究中选择Mohr-Coulomb准则。结合研究需要，对模型施加位移约束条件[8]。其中，模型的前后和左右施加法向位移约束，对模型的底部施加全位移约束，模型的上表面不施加位移约束，为自由边界条件。参考工程项目的前期地质勘查资料和相关施工规范，选取如表1所示的围岩和支护结构物理力学参数。

表1 模型材料物理力学参数

2.4 计算方案

显然，研究洞段拱顶到坡面地表的距离越小，对控制围岩的应力和变形越不利，会影响开挖衬砌施工的安全和顺利进行；如果拱顶和坡面的距离过大，势必会增加引水隧洞的整体埋深，进而大幅拉升开挖工作量和施工成本[9]。因此，在保证施工安全的情况下，尽量减小拱顶和坡面地表的距离就具有重要的工程意义和价值，结合研究洞段的 实 际 情 况，设 计5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m、19m等8种不同的拱顶和坡面地表距离，对不同方案下的围岩应力和位移特征进行计算，根据计算结果确定最佳方案。

3 计算结果与分析

3.1 位移

利用构建的有限元模型，对不同计算方案下的围岩位移量进行计算，在计算结果中提取出拱顶沉降位移、拱腰收敛位移和底板隆起位移值，并绘制出如图2所示的位移量随拱顶和坡面地表距离的变化曲线。由图可以看出，随着拱顶和地表距离的增大，拱顶沉降变形量和拱腰收敛变形量呈现出迅速减小并趋于稳定的变化特点。具体来看，当拱顶和地表的距离小于11m时，位移量的减小十分迅速，当拱顶和地表的距离大于11m时，位移量的减小幅度较为有限。由此可见，在拱顶和地表的距离大于11m时，再增加拱顶和地表的距离对控制拱顶沉降变形和拱腰收敛变形的作用较为有限。从底板隆起变形来看，随着拱顶和地表距离的增大，底板隆起变形量基本保持不变，说明拱顶和地表的距离对隧洞底板变形的影响不大。综上，拱顶和地表的距离对隧洞的拱顶沉降变形和拱腰收敛变形影响较大，拱顶和地表的距离为11m时可以获得较好的围岩变形控制效果，同时还有利于控制工程成本。

图2 围岩关键部位随拱顶和地表距离变化曲线

3.2 最大主应力

利用构建的有限元模型，对不同计算方案下的围岩应力进行计算，在计算结果中提取出最大主应力，并绘制出如图3所示的最大主应力随拱顶和坡面地表距离的变化曲线。由图可以看出，围岩主应力的最大值随着拱顶和坡面地表距离的增大而迅速减小，最终趋于稳定。具体来看，当隧洞拱顶与坡面地表距离小于11m时，围岩主应力最大值减小较为迅速；当拱顶和地表的距离大于11m时，再增大拱顶和地表的距离对控制围岩主应力并无十分明显的作用。由此可见，从主应力控制的视角来看，将隧洞拱顶和坡面地表的距离控制在不小于11m较为合适。此外，从主应力的分布来看，隧洞开挖支护过程中的围岩最大主应力出现在距离坡面最近的右拱肩部位，在施工过程中需要对该部位予以重点关注。

图3 围岩主应力最大值随拱顶与地表距离变化曲线

3.3 围岩塑性区

利用构建的有限元模型，对不同计算方案下的围岩塑性区范围进行模拟计算，获得不同计算方案下围岩塑性区的面积。根据计算结果，绘制出如图4所示的围岩塑性区面积随拱顶和坡面地表距离的变化曲线。由图可以看出，围岩塑性区面积的变化也呈现出和围岩位移和应力相似的变化规律。具体的来看，当拱顶和坡面地表距离为5m时，围岩塑性区的面积高达33.52m2，深度较大，围岩整体处于不稳定状态，极易发生坍塌破坏，会对施工的安全进行造成不利影响。随着当拱顶和坡面地表距离的增加，围岩塑性区的面积迅速减小。当拱顶和坡面地表距离达到11m时，围岩塑性区的面积为11.38m2，与拱顶和坡面地表距离为5m时相比减小了约66.05%。当拱顶和坡面地表距离大于11m时，围岩塑性区的变化趋于稳定，再增加拱顶和坡面的距离，对降低塑性区面积的作用不明显。从塑性区的分布来看，隧洞右拱肩部位的塑性区面积和深度最大，在施工中要密切关注该区域的变化，并采取有效的支护措施。

图4 围岩塑性区面积随拱顶与地表距离变化曲线

4 结论

此次研究以具体工程为背景，探讨了引水隧洞和地表距离较小情况下的安全稳定性，获得的主要结论如下：

1）围岩拱顶竖向位移和拱腰收敛位移、围岩最大主应力以及围岩的塑性区面积随着拱顶与坡面地表距离的增大呈现出迅速减小并趋于稳定的变化特点。

2）结合计算结果，鉴于背景工程在施工过程中保持拱顶和坡面的距离不小于11m。

3）在隧洞施工过程中，右拱肩部位存在比较明显的应力集中和较大的塑性区范围，需要予以重点关注。