袁富寧

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

0 引言

隧洞開挖后，受到應(yīng)力重分布的影響，圍巖會產(chǎn)生收斂變形，變形過大可能會造成圍巖失穩(wěn)，從而危害施工安全［1］。對于深埋隧洞，由于受構(gòu)造應(yīng)力影響，表現(xiàn)出不同于淺埋隧洞的力學(xué)特性，其穩(wěn)定性受多種因素影響［2］。其中，開挖進(jìn)尺對深埋隧洞變形的影響不可忽視。許多學(xué)者通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方式對隧洞洞壁位移、應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究［3-5］。本研究以西藏某深埋引水隧洞為研究對象，分析該工程的最佳開挖進(jìn)尺。

1 工程概況

研究區(qū)引水隧洞為圓形隧洞，洞徑9.2 m，布置在西藏易貢藏布右岸，隧洞軸線距易貢藏布岸坡距離為600～1 800 m，埋深一般為300～800 m。隧洞所處區(qū)域地應(yīng)力以構(gòu)造作用為主，最大水平主應(yīng)力約為巖體自重應(yīng)力的1.5 倍，最小水平主應(yīng)力約等于巖體自重應(yīng)力，圍巖主要為板巖，其次為前奧陶系雷龍庫巖組的石英砂巖夾石英片巖和古近紀(jì)侵入灰色中細(xì)粒黑云母二長花崗巖。

2 模型建立

數(shù)值模擬軟件采用FLAC3D，計算采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型。由于引水隧洞直徑為9.2 m，為減少“邊界效應(yīng)”影響，設(shè)置隧洞中心到邊界的距離為3～5倍的洞徑，建模時橫向從隧洞軸線位置向兩側(cè)各取40 m，豎向從隧洞軸線位置上下各取30 m，隧洞軸向取30 m，即模型尺寸為80 m×60 m×30 m。圍巖部分網(wǎng)格尺寸最大2 m，隧洞部分網(wǎng)格加密處理，為0.5 m，模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意

對模型的四周和底部施加法向位移約束，根據(jù)上覆地層（地表至模型上邊界距離分別為270 m、520 m 和770 m）自重應(yīng)力的計算結(jié)果，對頂部施加垂直應(yīng)力，模型內(nèi)部初始水平地應(yīng)力沿x方向為1.5倍的巖體自重應(yīng)力，沿y方向為1.0倍的巖體自重應(yīng)力。以板巖為代表性巖體，材料參數(shù)見表1。分別模擬300 m、550 m 和800 m 埋深下開挖進(jìn)尺為2 m、3 m、4 m 和5 m 的隧洞開挖，以第一進(jìn)尺穩(wěn)定結(jié)果為依據(jù)分析隧洞變形、應(yīng)力變化及塑性區(qū)情況。

表1 材料參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 位移分析

不同埋深下隧洞各位置變形大小隨開挖進(jìn)尺變化情況如圖2 所示。由圖2 可知，開挖進(jìn)尺相同時，隨著埋深的增加，隧洞拱頂豎向位移、側(cè)壁水平位移和掌子面軸向位移都存在增大的趨勢。在埋深一定的條件下，當(dāng)開挖進(jìn)尺小于3～4 m 時，掌子面軸向位移最大，側(cè)壁水平位移次之，拱頂豎向位移最?。划?dāng)開挖進(jìn)尺在3～4 m 時，掌子面軸向位移和側(cè)壁水平位移大小相似，且大于拱頂豎向位移；當(dāng)開挖進(jìn)尺大于4 m 時，側(cè)壁水平位移最大，掌子面軸向位移次之，拱頂豎向位移最小。因此，基于掌子面后期仍會不斷推進(jìn)，在對隧洞施作支護(hù)措施時，應(yīng)對側(cè)壁區(qū)域進(jìn)行加強處理。

圖2 不同埋深下隧洞變形隨開挖進(jìn)尺變化曲線

研究區(qū)內(nèi)引水隧洞的開挖進(jìn)尺變化主要對拱頂和側(cè)壁位移產(chǎn)生影響，側(cè)壁位移和拱頂位移隨開挖進(jìn)尺的增加整體上呈勻速增大趨勢，而掌子面軸向位移雖然會隨埋深的增加而增大，但是當(dāng)埋深相同時，其位移大小隨開挖進(jìn)尺的增加變化不明顯，僅在微小數(shù)值范圍內(nèi)產(chǎn)生波動。因此在施工開挖進(jìn)尺選取時，應(yīng)主要考慮拱頂和側(cè)壁的位移對隧洞圍巖穩(wěn)定的影響，掌子面位移可作為次要參考。

3.2 應(yīng)力分析

各埋深下隧洞開挖后圍巖應(yīng)力集中區(qū)域如圖3 所示（以開挖進(jìn)尺3 m 為例）。300 m-3 m 代表埋深為300 m 且開挖進(jìn)尺為3 m，下圖相同。由圖3可知，由于初始主應(yīng)力方向相同，盡管埋深差異較大，開挖后的應(yīng)力集中區(qū)域都主要出現(xiàn)在拱頂上方和拱底下方，埋深300 m 和埋深550 m 時掌子面和隧洞輪廓面交界處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中情況，當(dāng)埋深為800 m 時，應(yīng)力集中現(xiàn)象僅出現(xiàn)在拱頂上方和拱底下方。

圖3 不同埋深下圍巖應(yīng)力集中分布區(qū)域

不同埋深及開挖進(jìn)尺條件下，隧洞圍巖應(yīng)力集中最大值和集中區(qū)域相對拱頂及拱底距離見表2。由表2可知，開挖進(jìn)尺和埋深對應(yīng)力集中大小及范圍有較大影響。以300 m 埋深為例，當(dāng)開挖進(jìn)尺從2 m 增加至5 m 時，應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力值從14.69 MPa 增加至18.68 MPa，相對拱頂和拱底的距離從0.5～2.2 m 增加至0.9～2.2 m，即應(yīng)力集中區(qū)逐漸遠(yuǎn)離隧洞。以開挖進(jìn)尺3 m 為例，當(dāng)埋深從300 m 增加至800 m 時，應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力從16.75 MPa 增加至41.45 MPa，相對拱頂及拱底的距離從0.5～2.2 m 增加至1.0～3.0 m，不僅應(yīng)力集中區(qū)距離隧洞更遠(yuǎn)，且范圍更大?；谏畈繋r體中應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離開挖輪廓面為宜的理念，開挖進(jìn)尺選取3～4 m更為合適。

表2 應(yīng)力集中大小及位置

3.3 塑性區(qū)分析

各埋深下隧洞開挖后圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示。以開挖進(jìn)尺3 m 為例（相同埋深下，不同開挖進(jìn)尺產(chǎn)生的塑性區(qū)形態(tài)相似），塑性區(qū)主要分布于拱頂及拱底，隨著埋深增至550 m，塑性區(qū)向拱腰處擴展，但主要還是位于拱頂及拱底，隨著埋深增至800 m，洞周圍巖都出現(xiàn)塑性區(qū)，且塑性區(qū)的分布更加均勻。

不同埋深及開挖進(jìn)尺條件下，隧洞圍巖塑性區(qū)深度及體積見表3。由表3 可知，開挖進(jìn)尺和埋深對塑性區(qū)深度及體積有較大影響，以300 m 埋深為例，當(dāng)開挖進(jìn)尺從2 m 增加至5 m 時，塑性區(qū)深度從0.5 m 增加至1.3 m，塑性區(qū)體積從12.95 m3增加至55.07 m3，這與開挖進(jìn)尺增大后導(dǎo)致隧洞臨空面積增大有關(guān)。以開挖進(jìn)尺3 m 為例，當(dāng)埋深從300 m增加至800 m時，塑性區(qū)深度從0.8 m增加至1.2 m，塑性區(qū)體積從17.55 m3增加至92.52 m3。由此可知，埋深一定時，塑性區(qū)深度隨開挖進(jìn)尺的增加整體上呈線性增大趨勢，但是塑性區(qū)體積增大速度在開挖進(jìn)尺大于3 m 時大幅增加，因此開挖進(jìn)尺選擇3 m更加合適。

表3 塑性區(qū)深度及體積

4 結(jié)論

①研究區(qū)引水隧洞開挖后拱頂豎向位移、側(cè)壁水平位移及掌子面軸向位移隨埋深的增加而增大，開挖進(jìn)尺對掌子面軸向變形影響很小，側(cè)壁位移和拱頂位移隨開挖進(jìn)尺的增加整體趨勢為勻速增大。由于側(cè)壁位移總是大于拱頂位移，支護(hù)時應(yīng)重點關(guān)注側(cè)壁位移，加強支護(hù)。

②隧洞圍巖的應(yīng)力集中區(qū)總是位于拱頂上方和拱底下方，為盡量使其遠(yuǎn)離隧洞輪廓面并減小應(yīng)力，開挖進(jìn)尺選擇3～4 m較為合適。

③隧洞圍巖塑性區(qū)分布隨埋深的增加逐步由拱頂及拱底向拱腰處擴展，并最終覆蓋洞周圍巖，其深度隨開挖進(jìn)尺的增加整體趨勢為勻速增大?？紤]塑性區(qū)體積增大速度在開挖進(jìn)尺大于3 m 時大幅增加，開挖進(jìn)尺選擇3 m更加合適。

綜上所述，結(jié)合各埋深和開挖進(jìn)尺條件下的隧洞位移、應(yīng)力分布和大小及塑性區(qū)深度和體積等情況，研究區(qū)引水隧洞工程最佳開挖進(jìn)尺為3 m。