董爱明

(上饶市三江导托渠管理有限公司，江西 上饶 334000)

1 前言

大中型城市的市政管网尤其涉及河流、沟渠的地区，常会设计引水隧道用于调节水量分配，由于其埋深较浅，对上部土体的变形常构成重要影响。学者们针对引水隧道上部土体的变形问题，进行了大量的相关研究。谭双等[1]针对引水隧洞的塌方问题进行了研究。研究结果表明:施工过程中，随着掌子面不断前移，塌方区的体积和面积越大。刘德军等[2-3]研究了临近引水隧洞的隧道下穿施工可能给引水隧洞带来的不利影响。研究结果表明:该隧道的施工会造成引水隧道结构振动响应增大，振动速度峰值超过容许接受范围，以及不均匀沉降的问题，应改变设计方案。雷江等[4]研究了引水隧洞施工中遇到的大变形问题。研究结果表明:针对施工中软岩的大变形问题，通过设置缓冲层，能够有效避免大变形现象的发生。谢小帅等[5]研究了排水措施在引水隧洞中所发挥的作用。研究结果表明:排水孔的设置方式影响排水措施的作用效果，排水孔在减小外水压力方面的作用随着距离排水孔的距离越大而逐渐变小。刘宁等[6-7]研究了岩爆灾害在引水隧洞施工中的危害特性。研究结果表明:通过应力和能量分析，岩爆发生的倾向位置能够合理确定。

通过以上分析，可以看出，学者对引水隧洞的结构形式和受力特点进行了大量研究工作，而目前，关于混凝土结构形式的引水隧道工程，对上覆不同土层结构的土体的变形特征研究方面，涉及较少，本文依据一处于黏土和黄土地层中的引水工程，通过FLAC 3D 软件对该地区的隧道上部土体的受力和结构变形进行了模拟。

2 工程概况

该浅埋引水隧道工程联结河流和渠道，在城市水量分配中发挥了一定调节作用。引水隧道设计埋深6 m 深，隧道设计为圆形，半径4 m，如图1 所示的三维原始模型图。由于圆形隧道的对称性特征，图中仅用隧道的二分之一对其三维剖面上的形态进行表示，隧道顶部埋深范围内的土体为黏土，隧道顶部至底部底层深度范围内的土体为黄土地层，隧道下部设置0.5 m 厚砂垫层，各土层材料的相关物理力学参数见表1。采用C45 的混凝土预制管片作为隧道结构。

表1 岩土体物理力学参数

图1 引水隧道三维示意图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

在FLAC3D 软件，根据图1 中的实际尺寸构建三维模型用于数值计算分析，由于隧道结构形式明确，埋深较浅，在构建模型时，不需要借助外部软件，使用FLAC3 D 自带的模型构建方法即可完成模型创建，即采用BLOCK 命令先将模型的整体尺寸设置，而后对各部分设置相应的土层材料参数，这主要通过“zone property”命令完成。为避免可能的边界效应，模型在三维上的整体尺寸设置为60 m×40 m×30 m，最终构建的三维模型见图2。为了实现变形分析，各层岩土体材料本构模型均采用摩尔库伦模型，相应的本构特性根据表1 中的数据进行分别设置。

图2 三维数值计算模型

3.2 整体位移变化特征

为了呈现隧道施工完成后，地表在承受荷载作用下的位移变形特征，通过调出整体的单元体变形位移云图，获得了如图3 所示岩土体的整体位移云图。同时为了研究荷载中部位置的位移变化特征，特别导出了如图4 所示的岩土体的加载力中部位置的切片位移云图，使得该部位的变形特征更加明晰。

图3 土体整体位移云图(单位:cm)

图4 土体切片位移云图(单位:cm)

图3所示为隧道上方土体在受到荷载作用下的土体整体变形位移云图，根据图中所示图例示意，分析位移变化特点，可以得出，最大荷载两侧土体的最大向上位移为0.39 cm，而荷载正中位置的最大向下位移为0.15 cm;在最大向上位移附近的土体的位移值变化速度较大，约为4.5(量纲为1)，随着逐渐远离最大向上位移处，位移值变化速度逐渐变小，最小值约为2.1(量纲为1)。可见，荷载作用处附近，土体变形受荷载作用影响较大。

图4所示为隧道上方土体在受到荷载作用下，土体所受荷载中部位置切片位移云图，根据图中所示图例示意，分析位移变化特点。可以得出，荷载作用位置中部两侧土体的最大向上位移为0.3 cm，而荷载正中位置的最大向下位移为0.125 cm;在最大向上位移附近的土体的位移值较大，位移值变化速度较小，约为2.7(量纲为1)，随着逐渐远离最大向上位移处，位移值变化速度逐渐增大，最大值约为6.9(量纲为1)，迅速减小为0.025 cm，几乎为零值。可见，在距离上，越靠近荷载作用位置中部，土体变形受荷载作用影响越大。

由上述对隧道上部土体的整体位移云图详细解析，可知，荷载作用处附近，土体变形受荷载作用影响较大，土体的位移值变化速度较大，约为4.5;由对土体的切片位移云图的详细解析，可知，越靠近荷载作用位置中部，土体变形受荷载作用影响越大，位移值较大，位移值变化速度较小，约为2.7。

3.3 土体应力特征

为了分析引水隧道的存在，上部土体内的应力特征，导出了上部土体的应力变化云图，图5 是土体横向XX 主方向的应力云图。图6 是土体竖直方向ZZ 主方向的应力云图。

图5 土体XX 方向应力云图(单位:kPa)

图6 土体ZZ 方向应力云图(单位:kPa)

图5所示为隧道上方土体在受到荷载作用下的土体XX方向应力云图，根据图中所示图例示意，分析XX 方向应力变化特点，可以得出，最大荷载下部土体的应力值最大，为290 kPa，为压应力;在荷载加载位置两侧土体上拱位置处，出现了XX 方向的拉应力，大小约为2.3 kPa，而荷载正下方位置的XX 方向主应力均大于200 kPa;土体内的最大应力集中于荷载作用处正下方，两侧土体的XX 方向主应力，最大值为7.5 kPa。

图6所示为隧道上方土体在受到荷载作用下的土体ZZ方向应力云图，根据图中所示图例示意，分析ZZ 方向应力变化特点，可以得出，最大荷载下部土体的应力值最大，为690 kPa，为压应力;同样的，与土体XX 方向应力变化特点一致，在荷载加载位置两侧土体上拱位置处，出现了ZZ 方向的拉应力，大小约为0.8 kPa，而荷载正下方位置的ZZ 方向主应力均大于400 kPa;土体内的最大应力集中于荷载作用处正下方，两侧土体的ZZ 方向主应力，最大值为250 kPa。

4 结论

1)引水隧道上部土体，荷载作用处附近，土体变形受荷载作用影响较大，土体的位移值变化速度较大，约为4.5(量纲为1)。

2)对于上方土体，越靠近荷载作用位置中部，土体变形受荷载作用影响越大，位移值较大，位移值变化速度较小，约为2.7(量纲为1)。

3)荷载加载时，土体内的XX 方向和ZZ 方向的最大主应力集中于荷载作用处正下方，在荷载加载位置两侧土体上拱位置处，出现拉应力，实际工程中，建议在隧道上部土体进行袖阀管加固处理，以增强土体的抗变形能力。