（地质工程专业论文）不衬砌有压引水隧洞成洞条件及围岩稳定研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在水利工程中，有压引水隧洞运行状态直接影响着整个工程的正常使用和经济 效益。引水隧洞属于长线结构物，在开挖建设过程中要穿越不同的地段，所遇到 的各种地质环境状况也千差万别。这要求我们要结合隧洞所处的环境对隧洞围岩 进行分析，考察它所处的状态，作为施加衬砌与否、施加何种衬砌的依据。 有压引水隧洞不同于交通隧道，就其使用功能而言，凡在性质优良、赋存环 境简单的岩体内开挖的隧洞，在隧洞充水运行期间，当流固耦合作用不致破坏洞 周围岩，并且内水外渗不致影响发电使用时，隧洞断面采用不衬砌形式常常是水 工有压隧洞设计中优先考虑的方案。在满足正常使用的前提下，这种措施产生的 效益尤为可观。目前，国内外对这方面的研究还不成熟、不深入，鲜见到对隧洞 断面衬砌与否所做的较为系统的研究工作。本文从对有压引水隧洞围岩稳定造成 较大影响的几个方面入手，来考察它们所产生的影响效果，以此作为隧洞断面衬 砌与否的依据。具体方法及相关结论如下： 在暂不考虑地下水作用的情况下，求解出有压引水隧洞洞室周边几个关键 点处的切向应力值，与岩体强度进行比较，初步确定出f i m c 软件模拟的工况范围。 随后模拟隧洞开挖，计算隧洞开挖后周边位移值，用来与规定的最大容许变形值 进行对比，初步确定在不同工况下隧洞围岩的稳定性。 在暂不考虑地下水的情况下，考察内水压力作用对洞室围岩造成的影响。 把隧洞围岩内的水流看作是层流，解出此种状态下的拉普拉斯方程，结合边界条 件可以求得隧洞内水外渗过程围岩中任意一点的水头压力分布。用上抬准则初步 确定隧洞最小埋深后，结合公式推导时所采用的边界条件对受最大内水压力作用 的隧洞进行模拟。通过模拟后的结果，发现埋深浅的有压引水隧洞不适合采用断 面不衬砌形式。 考察隧洞充水运行前，地下水作用对隧洞围岩稳定产生的影响。此时地下 水渗流场内的水头压力分布的求解方法与隧洞受压力内水作用时一致。再通过 f l a c 软件模拟隧洞竣工后的运行状态，在前面所确定的范围内，进一步得出适合 采用不衬砌断面形式的工况范围。 在前面所做工作的基础上，考察有压引水隧洞充水运行期间的稳定性，分 析地下水、压力内水、重分布应力三者耦合作用对隧洞围岩稳定所造成的影响。 最终确定适合本文背景工程的有压引水隧洞不衬砌的条件。 本文在理论分析和数值模拟的基础上，较为系统的对采用不衬砌断面形式的有 压引水隧洞进行了研究。根据其在不同工况、不同运行时期的稳定状态，提出了 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 适合本文背景工程所采用的有压引水隧洞不衬砌的条件。所得结果具有典型性， 可为具体的工程实践活动提供一定的参考。 关键词：有压引水隧洞，衬砌，围岩稳定，耦合作用，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，t h ec i r c u l a t ea p p e a r a n c eo fd i v e r s i o nt y p ep r e s s u r e t u n n e lt o d i r e c t l yi n f l u e n c en o r m a lu s a g ea n de c o n o m i cb e n e f i to ft h ew h o l e e n g i n e e r i n g t h ed i v e r s i o nt y p ep r e s s u r et u n n e lb e l o n g st ol o n gl i n es t r u c t u r e , i tw i l l t h r o u g hd i f f e r e n ts e c t o ri nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o na n dv a r i o u sg e o l o g i ce n v i r o n m e n t c o n d i t i o nw i l lb eh a v e i tr e q u e s t st h a tw ec o m b i n et h ee n v i r o n m e n tw h i c hd i v e r s i o n t y p ep r e s s u r e t u n n e lp l a c et o a n a l y s i st h es u r r o u n d i n gr o c k , t oi n v e s t i g a t e i t s a p p e 壮锄c ca n dt a k ei tt ot h er e f e r e n c ef o rw h e t h e ro rw h a tk i n do fl i n i n gw ew i l l a p p l i e dt o i t sd i f f e r e n tb e t w c e l ld i v e r s i o nt y p ep r e s s u r et u n n e la n dw a f f l et u n n e l i nr e g a r dt o i t su s a g ef u n c t i o na m o n gt h ec i r c u l a t ep c r i , x io f t u n n e l ，a n yi sg o o di nt h ep r o p e r t ya n d i n s i d et h es i m p l ee n v i r o n m e n to f r o c km f l 船f o rt u n n e l ，a l s ot h ec o u p l i n ge f f e c tw i l ln o t b r e a kt h es u r r o u n d i n gr o c ka n dt h ep e r m e a t i o nu n l i k e l yi n f l u e n c e st o g e n e r a t e d e e t r i e i t yu s a g e 。t h e nw ec a nc h o o s eu n l i n e df o rt h et u n n e l sc r o s ss e c t i o n u n d e rt h e p r e m i s es a t i s f i e dt on o r m a l l y1 l 哦t h i sk i n do fp e r f o m m c co u t p u tp e r f o r m a n c ei s c o n s i d e r a b l e c u r r e n t l y , d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t i l ln o tm a t u r et ot h er e s e a r c h e so f t h i sa s p e c t ，i t ss e l d o mt os e et h er e s e a r c h e so f w h e t h e rw ew i l ls e tl i n i n gt ot h et u n n e l t h i sp a p e rf r o mc o m m e n c et oaf e wa s p e c t sw h i c hh a da l r e a d yp r e s s e dt h ed i v e r s i o n t y p ep r e s s u r et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yt or e s u l ti nt oi n f l u e n c em o r l oa n dg r e a t l y , i n v e s t i g a t et h e i ri n f l u e n c ee f f e c tp r o d u c e u s et h i sa st h et u n n e l sc r d s ss i 矧i j o l ll i n i n go r n o to f r e f e r e n c e c o n c r e t ed e v i c ea n dr e l a t e dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t e m p o r a r yt a k en oa c c o u n to ft h ea c t i o no fg r o u n d w a t e r , s o l v et h et a n g e n t i a l s t r e s sv a l u e so fk e yp o i n t si nt h ed i v e r s i o nt y p ep r e t l $ 1 1 1 et u n n e l ss u r r o u n d i n gr o c k c a r r yo ne 1 c o m p a r i s o nw i t hr o c km a s ss t r e n g t ha n d i n i t i a lc e r t a i nt h ew o r kc o n d i t i o no f t h es o t t w a r es i m u l a t i o ns p h e r e i m i t a t et t t n n e l se x c a v a t i o nl a t e ro n , t h e nc o m p u t i n gt h e d i s p l a c e m e n tv a l u ea n dc a r r yo nc o n t r a s t 晰t ht h eb i g g e s ta l l o w a b l es t r a i nv a l u e , t h e r e f o r e , w e 啪m a k es u r et h es t a b i l i t yo ft h es m m u n d i n gr o c kw h i c hi su n d e rt h e d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s mt l l es e c o n ds t e p ，w ec a l lc h e e kt h es u r r o u n d i n gr o c kw h i c hh a v eb e e n i n f l u e n c e db yt h ei n t e r n a lw a t e rp r e s s u r ew h e nt e m p o r a r yt a k en oa c c o u n to f t h ea c t i o n o fg r o u n d w a t e r s e e i n gt h e $ t l e a mi nt h es u r r o u n d i n gr o c ka sal a m i n a rf l o w , s o l v et h e l a p l a c ee q u a t i o nu n d e r t h i sc o n d i t i o n , a n dw ec a n b e g t h ed i s t r i b u t i o n so f h e a dp r e s s u r e i h 重庆大学硕士学位论文英文摘要 i nt h es u r r o u n d i n gr o c kd u r i n gt h ep r o c e s so ft h ei n t e m a lw a t e rl e a kt h r o u g hb y c o m b i n et ot h ec o n d i t i o no fb o u n d a r y c e r t a i nt h et u n n e l sm i n i m u mc o v e i l l pd e e p l y t h e ns i m u l a t i o nt ot h et u n n e lw h i c hu n d e rt h em a x i m u mi n t e r n a lw r i t e rp r e s s u r eb y c o m b i n et ot h eb o u n d a r yc o n d i t i o n a n a l y s i st h ei s u l to fs i m u l a t i o n , w e 啪s e et h a t t h es h a l l o wo fd e p t ho fb u r i a li s n ts u i t a b l ef o ra d o p t i o nu n l i n e df o r mo ft l a ed i v e r s i o n t y p ep r e s s u r et u n n e l i n v e s t i g a t i n gt h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c kw h i c hi si n f l u e n c e db y g r o u n d w a t e rb e f o r et h et u n n e lo p e r a t e i ti st h es 锄et h a tt os o l v et h ed i s t r i b u t i o no f g r o u n d w a t e r sh e a dp r e s s u r ea n dw h e nt l l et u n n e lw a si n f l u e n c e db yi n t e r n a lw a t e r t h e ns i m t l l a t et h ec o n d i t i o no f t h et u n n e lb vs o f t w a r ew h i e l ln a m e df l a c f o r f u r t h e r , w ec a l lg e tt h ew o r kc o n d i t i o ns p h e r eo fa d o p t i o nu n l i n e df o r mo ft h ed i v e r s i o nt y p e p r e s s u r et u n n e lb a s e d t h ec o n d i t i o nw h i e l ac e r t a i na b o v e a n a l y s i st h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kw h i c hi n f l u e n c e db yt h eg r o u n d - w a t e r 、i n t e m a lw a t e ra n dt h ea f r e s hd i s t r i b u t e ds t r e s sd u r i n gt h ep e r i o do f u s a g e a n d p r o p o s e st h ec o n d i t i o no f t m l i n e do f t h ed i v e r s i o nt y p ep r e s s u r et u n n e lw h i c hi ss u i t a b l e t ot h ep a p e r sb a c k g r o u n de n g i n e e r i n g b a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，t h i s p a p e r s y s t e m a t i c a l l yc o n d u c t st h er e s e a r c ho nt h eu t i l i z a t i o no f t h eu n l i n e dc r o s ss e c t i o nu n d e r p r e s s u r eo fd i v e r s i o nt y p ep r e s s u r et u n n e l a c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s a n dd i f f e r e n lo p e r a t i o n a lp , 甜o do fs t a b i l i t y , t h u st i f f sp a p e rp r o p o s e st h ec o n d i t i o no f u a l i n e do ft h ed i v e r s i o nt y p e p r e s s u r et u n n e lw h i c hi ss u i t a b l et ot h e p a p e r s b a c k g r o u n de n g i n e e r i n g t h er e s u l t sa r ct y p i c a l , t h e r e f o r e c 姐p r o v i d ec e r t a i n i n f o r m a t i o nf o rt h es p e c i f i cp r a c t i c a le n g i n e e ra c t i v i t i e s k e y w o r 帆d i v e r s i o nt y p ep l 髓s l t l t r et u n n e l ，l i n i n g ，t h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c k ，c o u p l i n ge f f e c t ，n u m e r i c a li m i t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重宏盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 饭允 签字日期：m 7 f f o z ；, e j7e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重宏太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重宏太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 兀 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：饭_ 龙 签字日期：2 即7 年p 多月r 7 i t 荔 名 磐 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着改革开放、国民经济的高速发展，我国水利水电事业进入了建设的黄金 时期，需要开挖越来越多的引水隧洞。据统计，中国已建成长度5 k m 以上的引水 发电隧洞2 0 座，还有不少长度2 0 o n 以上的引水发电隧洞待修建。为了解决城镇 工业与生活用水等，兴建了许多本流域及跨流域主要依靠水工隧洞引水的调水工 程。其中，一定数量的工程采用了隧洞断面不衬砌的形式。表1 1 列举了国内一些 采用了隧洞断面不衬砌形式的水利工程【l j 。 表1 1 不衬砌隧洞 1 i a b l e1 1u n l i n e dt u a n e l 隧洞尺寸 工程名称隧洞用途地质情况隧洞形式 ( 埘) 渔子溪一级发电花岗闪长岩、闪长岩5 8 x 6 4城门洞形 流溪河 发电中粒花岗岩 6 2圆形 花木桥发电砂岩、板岩 5 9 圆形 刘家峡导流石英、云母片岩 1 4 1 4 城门洞形 柘溪导流长石、石英砂岩 1 2 8 1 3 6 城门洞形 根据内部水流状况，引水隧洞分为有压和无压两种。有压引水隧洞不同于交 通隧道，在满足安全性及经济效益的前提下，可以对隧洞断面采取不衬砌的形式。 由文献 1 】可知，假如一条隧洞设计为不衬砌断面形式，但后来又必须施加混凝土 衬砌时，其工程造价将增长3 0 4 0 ( 规模越大的隧洞，造价增长比例越小) 。 另一方面，如果发现某隧洞设计为混凝土衬砌，其围岩是坚硬完整的，工程开发 商就应该研究取消隧洞衬砌的可能性，以降低工程造价。不衬砌隧洞也可能需要 部分或全部进行混凝土衬砌，特别是在穿过软弱带、裂隙带、断层带的部位。这 种部分或全部衬砌段一般为l o 2 0 m 长，有时会更长一些。如有必要，也可用岩 锚和喷混凝土来提高岩体的强度。假如隧洞的部分衬砌段总长超过该隧洞总长的 2 0 4 0 ，部分衬砌费用可能与全部衬砌费用持平。在挪威，由于围岩质量好， 衬砌段平均长度仅为隧洞总长的4 5 。优质的围岩和良好的围岩赋存环境已 成为选择不衬砌隧洞的决定性因素【2 】。 当然，还应该认识到不衬砌隧洞表面凸凹不平，粗糙度大，其水力特性不同 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 于衬砌隧洞，不衬砌隧洞的摩阻损失是一个十分复杂的问题，也是水力学中的一个 重要研究课题所以从水力计算的角度来看，设计中需要正确估计其糙率值，否则 就会导致一定的错误嘲。从研究的目的出发，本文将不考虑不衬砌隧洞的摩阻损 失。 在对不衬砌有压引水隧洞的研究方面，相关人员所做的工作也很多，但往往是 相对片面的，如仅仅对其中的围岩重分布应力方面入手，来考察不衬砌的可能性。 本文将在前人工作的基础上，从洞室围岩重分布应力、地下水作用、内水压力及 三者的耦合作用等主要方面入手，对位于深圳地区的大鹏半岛支线供水工程所处 的一些主要工况进行分析，来验证不同工况下该不衬砌有压引水隧洞的稳定性。 因此，从实用意义的方面来讲，对不衬砌有压引水隧洞的研究可以在隧洞建 设的造价及结构优化方面产生积极的影响，并且在其理论方面是切实可行的。 1 2 国内外研究现状 有压引水隧洞实施衬砌与否，主要是根据其洞室围岩稳定状况来判断的。目 前在地下洞室稳定的定量评价中通常采用的方法有：解析分析法、工程地质法、模 型试验法、数值分析法、反演分析法等。 解析法 在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算， 并能得出弹性解析解。解析方法多用于圆形隧道的求解，当洞室是非圆形时，就 需要通过保角变换将单位圆外域映射到洞室外域，而洞室的映射函数是问题的求 解关键。解析法具有精度高，分析速度快和易于进行规律性研究等优点【4 】。本文 所采用的分析围岩应力的方法就是基于此。但解析法分析围岩应力和变形目前多 限于深埋地下工程，对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学 处理上还存在一定的困难。 工程地质法 5 1 应用工程地质法时先进行工程地质调查，获取岩体的强度、变形、初始应力 等物理力学参数，再根据围岩稳定性的控制因素( 弱面、应力及岩体强度) ，运用赤 平极限投影法，定出可能不稳定的结构体，结合地应力条件，综合比选洞轴线的 方案，并用块体极限平衡理论确定围岩的稳定性，然后按照围岩稳定性分类法( 围 岩分析法1 ，对围岩稳定性进行判断及支护设计。 模型试验方法 地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，模型与实际工程问题 的相似性是模型试验解决问题的关键。理论分析时，往往需对原型进行一定简化 和假定，且分析中所用参数的精度和可靠度也有限，由此导致理论分析结果与工 2 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 程实际状况往往存在一定偏差。针对理论分析中的种种缺陷和不足，国内外不少 学者开展了大量的模型试验研究工作，得出了许多有益的结论。比如一般隧洞围 岩岩体的各向异性性质，各国学者己作了大量的研究并对此取得了一致的认识。 对于深埋隧洞，传统理论一般认为由于高地应力的作用，各向异性岩体可作为准 各向同性处理，但荷兰s c b a n d i s 等进行了模拟高地应力条件下的圆形洞室开挖 模型试验后认为即使在超高应力条件下，围岩的各向异性性质还是很明显，其二 次应力和变形都由岩体构造控制。模型试验方法多用于重要的难以用现场试验方 法解决的复杂工程。 数值分析方法 在围岩稳定性的数学分析方法中，解析法只能适用于那些边界条件较为简单 及介质特性不太复杂的情况。多数的实际工程在特定条件下只能用数值法求解， 目前常用的数值计算方法有： 1 ) 有限元法。有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出发展至今，已经相当成熟，是目 前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性 等问题，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法。其优点是部分地考虑了地 下结构岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并可 近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。有限元法的应用是 否真正有效，主要取决于两个条件：一是对地质变化的准确了解，如岩体深部岩性 变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等；二是对介质物性的 深入了解，即岩体的各个部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特 性及破坏规律等。 2 ) f l a c 软件模拟法【l 们。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷， c t m d a l l 根据有限差分法的原理，提出了f l a c ( f a s tl a g r a n g i o na n a l y s i so f c o n t i n u u m ) 数值分析方法。该方法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求 解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。 3 ) 边界元法。边界元法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并 将其离散化求解。由于变换成边晃上的方程式使问题比解析对象降低了一维，对 于一般的线性问题只需进行区域边界的单元分割，所以与有限元相比，具有计算 时间短、计算范围大等特点，但边界元法对奇异边界较难处理。 4 ) 块体弹簧元分析法。k a w a l 于1 9 8 7 年提出了采用简化的刚性块体来模拟 不连续介质的刚体弹簧元数值模型。它以单元形心的刚体位移为基本未知量，仅 考虑单元之间缝面的变形协调和本构关系来建立求解的支配方程，确定缝面的相 对位移和应力。该模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点，可以反映围 岩不连续的变形和运动规律。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 反演分析法 自奥地利地质学家l 缪勒提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理，以锚喷支 护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法以来，改变了过去设计与施工的一些传统 思路。它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计。因此，以现场监 控信息为依据，可通过反演分析计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳定性， 该法日益受到重视。 从上面的阐述可知：围岩稳定性研究虽已取得重大进步，但针对围岩岩体本构 关系的非线性，性状的非连续、非均质性、边界条件的不确定性以及应力条件在 空间、时间上的多变性等特性，各国学者还在不断探索各种不同的研究方法与手 段，以期能更准确和真实地反映围岩的稳定性。任何一种分析方法都不是万能的、 唯一的、排它的方法，而把两种或多种方法融合起来，取长补短，是未来发展的 一种趋势。 1 3 本文的研究内容及思路 1 3 1 工程概况 深圳市北线引水工程之大鹏半岛支线供水工程( 沙湖葵涌段) 是大鹏半岛的 一条极为重要的配水支线。赤坳丰树山隧洞属大鹏半岛支线供水工程( 沙湖葵 涌段) 的一部分，通过自流方式将赤坳水库的源水输往庙角岭水厂及规划分水点。 工程设计规模为6 5 万吨天，设计流量7 6 m 3 s ，线路全长4 7 6 o n 。根据隧洞线路及 水库运行水位变化大的特点，隧洞设计为有压隧洞，洞内最大水压力2 0 m 水头。根 据过流能力及旌工最小断面的要求，隧洞内净空为4 7 m ( 宽) 5 0 m ( 高) ( 跨高 比为0 9 4 ) ，从水力学和结构承载的角度考虑，对横断面的型式无特殊要求，而考 虑到施工方便，故采用城门洞形隧洞。施工净空图见第二章的图2 4 。整个隧洞线路 穿越围岩地质条件较好，根据围岩质量状况，围岩主要分为i 、级。 表1 2 围岩分布情况 t a b l e1 2 t h e d i s t r i b u t i o n o f m m o u n d i n g r o c k 围岩类别 i 其他 总长度 7 0 01 2 5 01 5 7 01 1 2 01 2 0 ( 所) 所占比例1 4 7 2 6 3 3 3 o 2 3 5 2 5 从围岩组成情况来看，洞室围岩以、级为主，占整个线长的8 0 n , 6 以 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 上，部分围岩力学参数按照大鹏半岛支线供水工程( 沙湖葵涌段) 可行性研究报 告、水工隧洞设计规范s l 2 7 9 - - 2 0 0 2 ) ) f s l - t 9 1 来选取，其取值如下表所示： 表1 3 围岩物理力学参数取值表 颐目容重，变形模量泊松内聚力c内摩擦岩体抗压岩体抗拉 i ( k n m 3 )( g 只)比( m p a )角妒( 。) 强度( 湿) 强度( 湿) 材刺( 朋m )( 朋乳) 2 6 2 4 70 2 31 55 21 8 9 51 9 0 h i 2 41 4o 2 7o 94 31 5 8 l1 5 8 2 15o 3 3 o 53 l8 7 40 8 7 注：没有岩石抗拉强度的实验数值，保守起见，取为抗压强度的1 0 1 3 2 本文研究的主要内容 由于不衬砌有压引水隧洞使用功能的特殊性，使其在开挖成洞期、运行期等 时期所处的力学环境与交通隧道有很大不同。因此确保其长期稳定所涉及的因素 也较多，本文主要研究围岩重分布应力、地下水作用、压力内水作用及三者在引 水隧洞运行期的耦合作用对围岩的稳定性所造成的影响，并在此基础上分析总结 出在深圳地区岩性较好的岩体中开挖有压引水隧洞，采用不衬砌形式的有压引水 隧洞的条件，也可称为不衬砌的控制标准。 1 3 3 本文研究的主要方法和思路 采用映射理论来考察不同工况下的城门洞形断面隧洞周边某些特征点所 处状态 圆形隧洞围岩周边各点的应力及位移的求解已经形成一系列的得到人们普遍 认同的方法，如基于弹性理论的无限域孔口问题。但非圆形隧洞，因其几何形状 较为复杂等原因，至今还没有理想的求解其洞室围岩周边各点的应力及位移的成 熟公式。但对圆形隧洞所得到的一些结果在定性上不会失其一般性，因此从映射 理论出发，找到一个单值的解析函数，使城门洞形断面隧洞所在的平面与圆形断 面隧洞所在平面之间建立起一一对应的函数关系，那么就可利用圆形断面隧洞应 力和位移的表达式来求解城门洞形断面隧洞周边围岩的应力和位移了。解出几个 特征点处的切向应力值，与岩石抗压( 抗拉) 强度比较，即可定出此种工况下， 从围岩重分布应力角度出发，不衬砌隧洞洞室围岩是否稳定。 运用上抬准则确定最小覆盖厚度并模拟压力内水作用对洞室围岩稳定的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 影响 对有压引水隧洞来说，充水运行期间，压力内水对隧洞拱顶产生上抬力，并 会在隧洞围岩周边产生环向拉应力，要使隧洞能保持稳定，并不因围岩开裂引起 的渗水量过大而不能正常运行，必须保证隧洞有足够的埋深，使隧洞上方岩体覆 盖厚度大于最小覆盖厚度。本文针对隧洞充水运行期间所遇到的最大内水压力， 运用上抬准则确定不同工况下不衬砌洞室是否能够满足使用要求，确定出最小覆 盖厚度，在此基础上在进行数值模拟，考察压力内水作用对洞室围岩稳定产生的 影响。 结合d a r c y 定律推导地下水稳定渗流场的水头状态方程，并模拟常年地下 水作用对洞室围岩稳定的影响 隧洞的开挖，会破坏地下水原有的平衡渗流场，原有的渗流途径也会发生改 变，转为集中向洞室内部排泄，进而形成新的平衡渗流场。流动的水所产生的渗 透力作用于洞室方向，围岩内渗透力的大小主要取决于渗流场各点处的水头高度 变化，因此需要先推导出围岩内地下水稳定渗流场的水头状态方程，因为岩体较 为均质、致密，地下水在其内的运动缓慢，可视为稳定层流运动，所以可在d a r c y 定律基础上进行分析。在此基础上在进行数值模拟，考察地下水作用对洞室围岩 稳定产生的影响。 模拟渗流场( 有压内水、地下水共同作用产生) 与围岩开挖后重分布应力 场的耦合作用 不衬砌有压引水隧洞充水运行期间，是要受地下水、隧洞压力内水、重分布 应力三者共同作用的，因此需要模拟隧洞充水运行期间，在不同工况下所表现出 的性质，通过隧洞周边的变形情况来考察它的稳定性，进一步确定对其采用不衬 砌断面形式的可能性，综合以上的工作，最终确定出适用于本文背景工程采用的 断面不衬砌的条件，也可称之为有压引水隧洞不衬砌控制标准。 综上可知，从目前的研究水平来看，凡位于完整、坚硬、渗透性小的岩体中 的有压隧洞，当洞内水流冲刷不致破坏岩石，并且内水外渗不致影响相邻的建筑 物、围岩和山坡稳定时，尤其是导流隧洞，只要条件许可，不衬砌隧洞方案常常 是水工有压隧洞设计中优先考虑的方案，这在理论及工程实践中都是可行的。如 能设计成不衬砌隧洞，不仅可以省去昂贵的混凝土衬砌，还能显著的缩短隧洞施 工期。这样，工程可以提前发挥效益，其经济效益尤为可观。 需迸一步说明的是：不衬砌有压引水隧洞对围岩及所处环境条件要求较高， 它的应用范围会受到一定的限制。并且工程岩体的性质有相对的复杂性，很难准 确地量化说明，具有不连续性、非均匀性、各向异性、环境赋存性等特点，且可 能还存在初始构造应力。不同工程相同类别的围岩其稳定性程度也会有较大的差 6 重庆大学硕士学位论文i 绪 论 别，同一工程相同类别的围岩，其稳定性程度也不尽相同，甚至有较大的差异。 这些也是在工程实际设计时必须注意的问题。 本文进行研究的目的是探求有压引水隧洞在一定的假定条件( 这样的假定不 致影响最终结果的实用性) 下最一般的规律，为相关的工程活动提供参考。 本文的研究思路可用下面的框图表示： 图1 1 论文的主要研究思路 f i g1 is k e l e t o no f t h et h e s i s 7 重庆大学硕士学位论文 2 开挖过程中不衬砌隧洞成洞条件及围岩稳定分析 2 开挖过程中不衬砌隧洞成洞条件及围岩稳定分析 在隧洞开挖前，岩体在初始地应力作用下处于平衡状态，开挖形成洞室后， 破坏了这种平衡，洞室周边各点的应力发生了变化，由原来的三向应力状态改变 为二向应力状态。实测资料和理论计算均表明，这种应力重分布的现象只限于洞 室围岩的部分区域内，对不衬砌隧洞围岩的稳定性有直接的影响。完整和次完整 的岩体，一般可视为均质连续介质，对于这种围岩的整体稳定性进行分析时，应 当计算围岩的重分布应力及洞周位移值，然后根据计算出的最大拉应力、最大压 应力和最大位移值，与岩体的抗拉强度、抗压强度和背景工程规定的最大容许变 形值进行对比，以判断围岩的整体稳定性。对于不衬砌隧洞，为了维持围岩的长 期整体稳定性，必须严格控制围岩的重分布应力低于围岩的强度，并保证围岩的 最终变形值在容许的范围之内。围岩的应力和变形值可以通过适当的手段进行实 地量测，在条件达到不了的情况下，常常采用理论分析及数值模拟的方法来进行 预测。本章拟采用基于复变函数理论的解析法【6 卜们及f l , i c 软件模拟的方法来对 背景工程进行稳定性分析，以此作为衬砌与否的依据并初步确定在开挖过程中不 衬砌隧洞的成洞条件。 2 1 基于复变函数理论的解析法 2 1 1 复变函数理论的应用 采用复变函数求解地下隧洞工程问题具有显著的优点。下面推导利用复变函数 求解地下隧洞工程问题时将要用到的一些基本关系。 艾雷应力函数u 川的复数表示 在本文中引入艾雷( a i r y ，g 只) 应力函数【，( 薯力，可使求解简化。令： a 2 u ， o l 。虿“ a 2 u ， o ，2 哥+ v a 2 u 1 ”一丽 ( 2 1 ) 其中，v 为体积力势函数。 设z = x + i y ，其共轭z = x - - i y ；对五j ，求导数，有： 罢：l ，罢：f ，譬：l ，譬：- i ( 2 2 一) 一2 l ，一2 l ，一2 l ，一2 l z j 麟卵四卵 任意实变函数f c x , y ) 均可由关系式z = x + i y ，乏= x - - i y 表示为复变函数 重庆大学硕士学位论文 2 开挖过程中不衬砌隧洞成洞条件及围岩稳定分析 f ( z ，芴，其对工，y 的导数为： a f ( z , z ) ：笪丝+ 堡丝：笪+ 堡 苏a z 缸a z 缸a za z 等笋= 善a 砂z + 磊o f 丝a y = ( 善一差z )圆0 厶删d z o 厶0j 挈：磐+ 2 堕+ 垂 苏2 a z 2 a z a - z 。a _ 2 8 2 f ( z , - z ) ：一塑+ 2 堂一塑 锣2 0 7 , 2 a z a z o z 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 则； v 2 厂：挈+ 挈：4 堕 ( 2 5 ) 孤 谤 a z 8 z 其中v 2 = ( 导+ 嘉 ，称为拉普拉斯算子，故用复变函数表示的调和方程 v 2 f = o 可归结为： v 2 厂：4 堂：0( 2 6 ) 。 3 z o z 该方程通解为：，( z ，z ) = z ( z ) 4 - 正( z ) ( 2 7 ) 式中z ( z ) 及五( 动分别为z 及z 的任意解析函数。 f ( z ，动为实变函数，则必 有五岳) = 万鬲，i l l l a ( z ) - 与a 口) 互为共轭。 同样，双调和函数v 2 v 2 f = o b 复变函数表示，其形式为： 立：o( 2 8 ) a z 2 a z 2 该方程通解为： f ( z ，z ) = 石( z ) + 以( z ) + z f , ( z ) + z 五( z ) ( 2 9 ) 若，( z ，z ) 是实变函数，则必有： 五( z ) = z ( z ) ，六( z ) = 六( z ) ( 2 1 0 ) 因而( 2 9 ) 式可以写成： f ( z ，z ) = z ( z ) + 石( z ) + z 正( z ) + j 狐( z ) = 2 r e 【z ( z ) + z a ( z ) 】 ( 2 1 1 ) 式中r e 代表函数z ( z ) 及z 五( z ) 之实部。 同理，对于满足双调和方程v 2v 2 u = 0 的应力函数u ( x ，力也可以用复变函数来表 示，有： 2 u ( x , y ) = 2 u ( z ，z ) = z 认z ) + z 烈z ) + z ( z ) 4 - z ( z ) ( 2 1 2 ) 等式右边2 是为了以后表达的方便而引入的。因而： u ( x , y ) = u ( z ，z ) = r e z e ( z ) + z ( z ) 】 ( 2 1 3 ) 9 重垦奎堂堡主兰垡堡皇 ! 茎望塾墨至型塑蹩塑盛塑垒堡墨璺堂塑壅坌堑 2 罟= 2 ( 詈+ 詈) _ 烈z ) + 劫f ( z ) + 丽+ z 而“( z ) + 而1 ：詈= 2 ( 詈一等) = 砸吲z ) + 动它) + 而一z 而“( z ) 一历“ 2 害= 2 甚( 期+ 壶( 剀a x 缸2 la z l 缸ja zl川 2 矿a 2 u = z 担l a z 阻t ) 壶( 剀 砂2彪l 砂jj 2 筹动l 怛a zfk丝&)az1 一击偿) 苏锣a z l 舐j i 当不计体积力时，有： 吒+ q = 害+ 害删c ， 吒+ q 2 萨+ 矿2 v 2 u q 一以+ 复勺= 警一害砌舄 将公式( 2 1 5 ) 代入公式( 2 1 6 ) 中，得 a l + q = 2 【p ( z ) + 伊。( z ) 】= 4 r e p ( z ) = 2 【m ( z ) + o ( z ) 】l 乃一。l + 2 7 勺= 2 f z 矽。( 刁+ 矿( z ) 】= 2 z o ( z ) + 壬，( z ) 】l 式中：m ( z ) = ( z ) ，认z ) = z 。( z ) ，甲( z ) = 1 ( z ) = z ( z ) 当考虑体力时，应力分量的复数表达式为： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) c l + 盯，= 2 【矿。( z ) + 妒。( z ) 1 + 2 vi，、 r ，一盯，+ 2 f f f = 2 【z 矿( z ) + 妒( z ) 】i 公式( 2 1 9 ) 即为应力分量的复变函数表达式。其中矿为体积力势函数，在自重作 用下y = 彬= 告i r ( z 一历。利用此式并分解实部与虚部即可得应力分量 盯y 、盯j 、f 删。 同理可得边界上的应力合力之复数表达式及位移分量的复数表达式为： 1 0 重庆大学硕士学位论文2 开挖过程中不