供水工程输水隧洞围岩变形与应力分析

供水工程输水隧洞围岩变形与应力分析

徐吉宏任立新李浩东

水利部农村电气化研究所   浙江省   杭州市   310013

摘要：供水工程输水隧洞是现代城市基础设施建设的重要组成部分，其围岩变形与应力分析直接关系到工程的安全与稳定。随着城市化进程的加速，供水需求不断增加，输水隧洞的规模和复杂性也随之提升。在这样的背景下，围岩变形与应力分析成为确保隧洞结构安全、延长使用寿命的重要研究内容。本文通过对某供水工程输水隧洞的围岩变形与应力进行详细分析，旨在为类似工程提供科学依据和技术支持，推进隧洞设计与施工技术的进步。

关键词：供水工程；输水隧洞；围岩变形；应力分析

引言：输水隧洞在供水工程中起着至关重要的作用，其围岩稳定性是保证隧洞安全运行的关键。围岩在隧洞开挖过程中会经历复杂的应力变化，若处理不当，可能引发严重的地质灾害，影响供水系统的正常运行。因此，研究隧洞围岩的变形与应力分布规律，不仅有助于优化设计和施工方案，还能提高工程的经济性和安全性。此外，在应对极端气候条件和地质灾害时，科学的围岩分析方法更显得尤为重要。这些研究对于提高隧洞施工技术水平、保障民生工程的可靠性具有重要意义。

一、围岩变形与应力影响因素分析

（一）地质条件

地质条件是影响输水隧洞围岩变形与应力的基础因素。一方面，岩层结构与性质对围岩稳定性产生重要影响。不同的岩层结构，如层状、块状、破碎状等，其稳定性各不相同。层状结构岩层在开挖过程中易产生层间错动，导致围岩变形；块状结构岩层则因块体间的相互咬合，具有一定的稳定性。此外，岩层的物理性质，如抗压强度、抗剪强度等，也直接关系到围岩的稳定性。这些因素共同作用，使得地质条件成为影响围岩变形与应力的关键因素。另一方面，地下水位与水文条件对围岩稳定性也具有重要意义。地下水位的高低直接影响到围岩的含水量，进而影响其物理性质。高水位条件下，围岩容易发生软化、膨胀，导致稳定性降低；而低水位条件下，围岩则可能因干燥收缩而产生裂缝，同样影响稳定性。水文条件的变迁，如季节性降雨、地下水位波动等，也会对围岩稳定性产生周期性影响。

（二）施工工艺

施工工艺是影响输水隧洞围岩变形与应力的另一个重要因素。开挖方式与施工顺序至关重要，不同的开挖方式，如钻爆法、机械开挖法等，对围岩的扰动程度不同。钻爆法因其爆炸冲击波的影响，容易导致围岩破碎，从而影响稳定性；而机械开挖法则相对温和，对围岩的扰动较小。此外，施工顺序也至关重要。合理的施工顺序可以减少对围岩的扰动，保持其稳定性。例如，先开挖洞室，再进行衬砌施工，可以有效地减少围岩变形。支护结构设计与应用也是施工工艺中不可忽视的部分。合理的支护结构设计可以有效地约束围岩变形，提高其稳定性。如采用钢拱架、喷射混凝土等支护方式，可以增强围岩的整体性，防止其发生大规模变形。然而，若支护结构设计不当，如强度不足、刚度过大等，反而可能加剧围岩的变形[1]。

（三）外部环境影响

外部环境对输水隧洞围岩变形与应力的影响同样不容忽视。地震与其他自然灾害是外部环境中的重要因素。地震作用可能导致围岩产生瞬间应力集中，进而引发变形或破坏。而其他自然灾害，如洪水、泥石流等，也可能对围岩稳定性产生不利影响。此外，人类活动，如采矿、建筑等，对围岩稳定性也具有显著影响。采矿活动可能导致地下空洞，改变围岩的应力状态；建筑活动则可能对地下水位产生影响，进而影响围岩的物理性质。这些活动都可能加剧围岩的变形与应力，甚至引发安全事故。

二、供水工程输水隧洞围岩变形与应力分析方法

（一）数值模拟方法

在供水工程输水隧洞围岩变形与应力的分析中，数值模拟方法是一种重要的技术手段。其中，有限元分析（FEM）是一种广泛应用的方法。FEM的基本原理是将连续体离散为有限数量的单元，通过求解每个单元的力学平衡方程，从而得到整个结构的应力、位移等力学参数。

进行FEM分析的第一步是建立模型，这包括几何建模、网格划分、边界条件设置等。在几何建模过程中，要确保模型的尺寸、形状与实际工程一致。以某输水隧洞为例，其直径为6米，长度为100米，采用ANSYS软件进行模拟。网格划分时，需根据围岩的物理特性、隧洞尺寸等因素，选择合适的网格类型和大小。通常，围岩采用六面体网格，隧洞周边区域加密网格以提高计算精度。边界条件设置时，需根据实际情况确定地面载荷、地下水压力等。

在模拟过程中，应根据材料参数、边界条件等，输入相应的数值。以某输水隧洞围岩为例，其弹性模量为30GPa，泊松比为0.3，密度为2.7g/cm³。模拟结束后，通过读取输出文件，可以得到围岩的应力、位移等数据[2]。

在模拟结果的解读与分析阶段，通过观察应力云图、位移矢量图等，可以直观地了解围岩的变形和应力分布情况。例如，某输水隧洞在开挖过程中，最大主应力为15MPa，最小主应力为5MPa，最大位移为2cm。这些数据有助于评估围岩的稳定性，为工程设计和施工提供依据。

（二）现场监测方法

现场监测方法在供水工程输水隧洞围岩变形与应力分析中发挥着重要作用，其中变形监测技术和应力监测技术是两种主要方法。

变形监测技术主要包括位移计、应变计等。位移计用于测量围岩的位移变化，如收敛计、测斜仪等。以某输水隧洞为例，在隧洞开挖过程中，使用收敛计监测边墙和顶拱的位移。结果表明，边墙位移最大为1.5cm，顶拱位移最大为2cm。应变计则用于测量围岩的应变变化，从而分析其应力状态。例如，某输水隧洞围岩在开挖过程中，应变计数据显示最大应变值为100με。

应力监测技术主要包括应力传感器、光纤传感技术等。应力传感器可以直接测量围岩的应力变化，为工程稳定性分析提供依据。以某输水隧洞为例，在隧洞周边布置应力传感器，实时监测围岩应力变化。光纤传感技术则利用光纤的传感特性，通过测量光纤的弯曲、拉伸等变化，间接获取围岩的应力状态。在某输水隧洞工程中，采用光纤传感技术监测围岩应力，取得了良好的效果。

（三）实验室试验方法

实验室试验方法在供水工程输水隧洞围岩变形与应力分析中具有重要意义，主要包括岩石力学试验和变形特性试验。

岩石力学试验主要包括单轴压缩试验、剪切试验等。单轴压缩试验可以测定岩石的抗压强度、弹性模量等参数。以某输水隧洞围岩为例，经过单轴压缩试验，得到其抗压强度为60MPa，弹性模量为30GPa。剪切试验则用于测定岩石的抗剪强度、抗剪刚度等参数。某输水隧洞围岩的剪切试验结果显示，抗剪强度为20MPa，抗剪刚度为10GPa。

变形特性试验主要包括三轴试验、卸载试验等。三轴试验可以测定岩石在不同应力条件下的变形特性。在某输水隧洞围岩的三轴试验中，随着应力水平的提高，岩石的变形逐渐增大。卸载试验则用于研究岩石在卸载过程中的变形特性。某输水隧洞围岩的卸载试验结果表明，卸载过程中，岩石的变形逐渐恢复，但无法完全恢复到原始状态[3]。

通过实验室试验，可以获取围岩的力学参数和变形特性，为数值模拟和现场监测提供依据。同时，结合数值模拟和现场监测结果，可以更准确地分析输水隧洞围岩的变形和应力状态，为工程设计和施工提供科学指导。

结语：通过对供水工程输水隧洞围岩变形与应力的系统分析，可以更好地理解隧洞施工过程中的岩体行为，进而优化施工方案，提升工程安全性与稳定性。未来，随着技术的进步和研究的深入，围岩变形与应力分析的精度将进一步提高，助力供水工程的可持续发展，保障城市供水系统的长期稳定运行。

参考文献：

[1]师源.清开供水工程输水隧洞段改造设计[J].东北水利水电,2021,39(09):64-66.

[2]刘亚博.水利供水工程项目冬季施工技术探讨[J].散装水泥,2023,(04):111-113.

[3]袁宝远,吴浩文.供水工程新近系红层区斜坡深层变形破坏模式分析[J].黑龙江科技大学学报,2024,34(02):270-276.