卢功臣，蒋 锐

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 712000)

长距离的输水隧洞由于施工周期长，距离大等特征，在施工及运营过程中易发生较多问题。输水隧洞在沿线易遭遇复杂的地质条件，使得施工中需要面对各种各样的难题，因此做好超前地质勘测十分有必要[1]。而针对某些具体的工程问题，需要对其进行机理构造的预测[2][3]。如果试验及数值模拟结果表明施工中存在一定的危险，则需因地制宜地采取防护措施或是新型工艺[4-7]。同时，由环境因素引起的短期突发状况也需要进行安全评估[8][9]。

长距离输水隧洞在隧道各段的受力方式大致相同，主要的外力来源于围岩压力及内水压力。由于隧洞的标高在掘进过程中缓慢上升，速调与目标点的高差也在发生变化， 因此不同段的内水压力也不同。本文就输水隧洞施工期及运营期的稳定性影响进行了研究，利用有限元软件Abaqus分析隧洞在各个阶段衬砌各方面的变化，并考虑不同内水压力下隧洞衬砌的最大应力。针对应力增加过快的情况，采用了不同的支护措施，分析其对隧洞安全性起到的作用，最终对隧洞施工给出相应建议。

1 工程概况

榆林某输水隧洞东线供水对象主要为榆林能源化工基地(解决其资源性缺水问题)以及工程沿线重要城市、县城、工业园区，缓解城市与工业发展、生态用水矛盾，为能源基地可持续发展提供可靠的供水保障。主要供水对象为窟野河河谷区、榆神工业园和秃尾河河谷区及沿线城镇的生产生活用水。

工程现状水平年为2015年，设计水平年近期为2025年，远期为2030年。供水保证率不低于95%。工程近期拟从黄河年取水量约3亿 m3(远期约7亿 m3)。根据工程效益和在经济社会中的重要性确定工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型。

隧洞取水口到黄石沟水库段(包括水库)，线路长度约24 km；黄石沟水库出库到引水末点石峁水库，线路长度约88.2 km。线路初步确定了以下方案：方案由干线和支线组成，干线为窟野河三级加压泵站至石峁水库，全长74.3 km，线路包括4座隧洞、3座泵站、3座倒虹、5段管线。南线支线为秃尾河四级加压泵站至清水沟工业园，全长19.725 km，线路为管线。同时在秃尾河以西线路布置一条比较线，线路同样为管线，全长9.94 km。推荐线路总长74.3 km，以隧洞为主。共布置4条隧洞，全长66.586 km，占总输水线路的89.6%；压力管线共分为五段，全长7.084 km，占总输水线路的9.5%。建筑物主要为1座倒虹，三个泵站，倒虹为秃尾河倒虹，泵站分别为小川岔泵站、秃尾河泵站及海则沟泵站。

工程区地势总体呈西北高东南低，由北西向东南倾斜。地貌形态主要有堆积-侵蚀形成的河谷阶地区、沙漠区及构造剥蚀形成的沙盖黄土梁、峁区和黄土丘陵沟壑区等四种地貌景观。

沙漠区分布于长城沿线以北、窟野河以西广大地区，窟野河东侧有少量分布。长城沿线以南为黄土丘陵沟壑区，与沙漠区接壤部位有沙盖黄土梁、峁区过渡带，窟野河以东至黄河沿岸为黄土沟壑区，沿河谷两岸分布有河流漫滩及阶地区。

图1 平面位置示意图

2 三维数值模型

根据地质勘测报告，建立整体模型如图2。隧洞半径为4 m，厚度为0.5 m，埋深20 m。由于选取观察处与输水终点高程相差250 m，内水压力取为250 kPa。相关的围岩和隧道材料参数如表1、表2所示。

图2 模型整体示意图

表1 围岩主要参数

表2 基坑挡土墙及隧道衬砌材料参数表

根据隧洞的施工计划，拟定模型分析步骤如下：

(1)模型的地应力平衡；

(2)开挖隧洞内土体强度折减；

(3)施加衬砌；

(4)开挖土体；

(5)施加内水压力。

完成步骤后，分析隧洞的位移和应力云图，观察内部应力分布变化。

3 隧洞施工及运营期数值模拟结果分析

3.1 数值模拟结果

图3为模型整体位移云图。从图中可以看出，隧洞整体最大位移集中于隧道底部，产生了1.43 mm的位移，而后向两侧扩张，隧道上方则位移较小。原本应有上方岩石的压力造成的拱顶下沉，但隧洞内的水压力抵消了岩石压力，导致隧道顶部呈现出位移平衡的状态，二底部则是由于围岩压力不足以抵消内水压力、隧道及围岩自身重力，而导致的下沉结果。从水平位移云图和竖向位移云图可以看出水平位移主要产生于拱腰两侧， 大小相同，方向相反；竖直位移则由拱底至拱底逐渐减小。

图3 模型整体位移云图

图4为模型整体Mises应力云图。由图可知，拱腰处的应力明显大于其他位置，大小为1.92 MPa，拱顶和拱腰大小约为0.8 MPa，远小于拱腰的应力，说明此时围岩压力造成的应力变化影响仍大于内部水压，因此呈现出与无水压时相近的应力分布。

图4 模型整体应力云图

图5为围岩的塑性区云图。塑性区主要分布于隧洞的四个角点，即右上、左上、右下、左下四个位置。此处围岩受到水平、竖向压力的合力较大，在隧洞内水压力的作用下产生塑性变形。

图5 围岩塑性区

3.2 影响因素分析

本节研究隧洞内水压力对隧洞衬砌最大应力的影响。文中以50 kPa为间隔，研究了内水压力从100 kPa到600 kPa时的隧洞最大应力。由图6可得在压力从100 kPa变化为350 kPa时应力上升较为平缓，曲线斜率变化较小；而当内水压力高于400 kPa时，应力增长迅速，在内水压力为600 kPa时应力达到4 MPa以上，因此隧洞的内水压力越大，衬砌的应力增长也越快，当内水压力在500 kPa以上时隧洞有破坏可能，需要采取一定的防护措施。

图6 隧道最大位移随平移距离变化曲线

为了减小衬砌应力，对每个模型的隧洞分别添加小导管注浆工艺和锚杆加固工艺，所得结果如图7。从图中可以发现小导管注浆和锚杆加固都能在高内水压力的情况下保持应力稳定增长，不会出现增长过快的情况，且小导管效果要略优于锚杆加固。

图7 隧道最大位移随开挖深度变化曲线

4 结语

本文以榆林某输水隧洞东线为背景，利用有限元软件Abaqus建立了三维数值模型，分析了输水隧洞开挖及运营过程中的稳定性。通过分析隧洞开挖完成后的应力状态，以及施加保护措施后的稳定性，得出如下结论：

(1)隧洞在运营期的位移由拱底至拱顶逐渐增大，到拱顶时在内水压力与围岩压力的共同作用下位移较小。

(2)隧洞应力主要产生于拱腰，顶部和底部所受的应力相对较小。

(3)在内水压力的作用下，隧洞右上、右下、左上、左下四个角点最先产生塑性区。随着压力的增大，塑性区的范围将逐渐扩大，直至遍布隧洞四周。

(3)在不同的内水压力作用下，隧洞的应力会随之上升，且在超过400 kPa时，增长速度加快。对隧洞周围进行小导管注浆的效果要好于施加锚杆。同时，两种支护方式都能使在内水压力上升时，隧洞最大应力增长速度减缓。