深埋高地應(yīng)力引水隧洞節(jié)理圍巖穩(wěn)定性研究

李唱唱，侍克斌，姜海波

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

在隧洞的開挖過程中，高地應(yīng)力可能會引起巖爆、塌方、大變形等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，這種現(xiàn)象引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。如今，很多學(xué)者針對高地應(yīng)力下的地下建筑物進行了研究。李天斌等[1]對高地應(yīng)力條件下隧道施工期大變形進行風(fēng)險評估，得到了影響大變形的因素；黃康鑫等[2]針對滇中引水工程高地應(yīng)力洞段采用有限元結(jié)合理論分析的方法對隧洞進行洞型比選和支護設(shè)計研究；吳迪等[3]分析了高地應(yīng)力條件下深埋層狀圍巖隧道非對稱變形受力機制；崔光耀等[4]對高地應(yīng)力深埋隧道斷裂破碎帶段大變形控制現(xiàn)場進行了試驗研究；孫金山等[5]通過在顆粒流數(shù)方法中引入應(yīng)力腐蝕模型對高地應(yīng)力條件下隧洞圍巖流變損傷機制進行數(shù)值模擬研究；張志強等[6]對高地應(yīng)力下軟弱圍巖隧道的變形規(guī)律進行了研究，確定了圍巖變形規(guī)律；姜云等[7]針對深埋高地應(yīng)力條件下的公路隧道的巖爆和巖溶涌水問題進行研究，提出了巖爆和涌突水的防止措施；劉高等[8]從巖體和工程巖體圍壓狀態(tài)變化和強度變化兩個角度探討了高地應(yīng)力軟巖圍巖的變形破壞機理；梁寧等[9]針對大埋深高地應(yīng)力下隧道圍巖變形破壞進行了研究；胡元芳等[10]通過現(xiàn)場試驗和Hoek方法針對高地應(yīng)力下軟巖隧道的擠壓變形和預(yù)測進行研究。

綜上所述，現(xiàn)有學(xué)者主要針對圍巖的變形和高地應(yīng)力下隧道的斷裂破碎以及巖爆等為研究重點[11-15]，少有針對深埋高地應(yīng)力下引水隧洞的節(jié)理巖體采取現(xiàn)場實測和離散元模擬相結(jié)合的方法進行力學(xué)特性和穩(wěn)定性研究。為研究深埋高地應(yīng)力下引水隧洞節(jié)理圍巖的力學(xué)特性及塑性區(qū)的分布，分析圍巖的穩(wěn)定性，本文以新疆某引水隧洞工程為例采用兩種現(xiàn)場監(jiān)測方法對地應(yīng)力進行監(jiān)測并結(jié)合離散元軟件進行數(shù)值模擬，通過對隧洞的應(yīng)力場、位移場以及塑性區(qū)的三維模擬計算，分析高地應(yīng)力下深埋隧洞節(jié)理巖體的穩(wěn)定性，為高埋深、高地應(yīng)力隧洞的穩(wěn)定設(shè)計及其安全運行提供參考依據(jù)。

2 深埋節(jié)理圍巖地應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測及圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 工程概況

引水隧洞位于新疆克爾柯孜自治州內(nèi)，為城門洞型，洞寬4.6 m，洞高5.3 m。隧洞長18.5 km，埋深接近800 m，圍巖巖性為云母石英片巖，呈中厚層狀，巖石較堅硬，圍巖類別為Ⅲ類。由于高地應(yīng)力的影響，有可能發(fā)生中等或強巖爆。地質(zhì)構(gòu)造主要受節(jié)理發(fā)育控制，其產(chǎn)狀50°～70°NW∠60°～65°，其他洞段產(chǎn)狀為270°～325°NE或SW∠75°～85°。高地應(yīng)力和節(jié)理發(fā)育是影響隧洞圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

2.2 地應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測及節(jié)理圍巖穩(wěn)定性分析

2.2.1 現(xiàn)場監(jiān)測方案 鑒于引水隧洞布置在河谷岸坡，考慮到引水隧洞沿程地形復(fù)雜、山體剝蝕嚴(yán)重以及工程區(qū)地應(yīng)力受河谷地形的影響較大等實際情況，采用水壓致裂法對該段隧洞進行地應(yīng)力監(jiān)測。通過壓裂過程曲線的壓力特征值計算地應(yīng)力，通過印模器確定方向。在地應(yīng)力較高的主洞段，距施工支洞150 m左右范圍內(nèi)布設(shè)一條垂直于已開挖主洞的試驗洞，試驗洞朝向山內(nèi)開挖，在樁號11+220 m與11+240 m之間布置鉆孔，隧洞地應(yīng)力鉆孔布置如圖1所示，試驗鉆孔編號為KYZK1、KYZK3和KYZK2、KYZK4，圖1中1#、2#、3#、4#為以鉆孔KYZK3為例的不同深度的測點布置位置。

圖1 隧洞高地應(yīng)力鉆孔及測點布置圖(單位：m)

KYZK1～KYZK4鉆孔巖性以云母石英片巖為主，呈層理狀，表1為測量參數(shù)一覽表。

表1 測量工作量一覽表

由表1可以看出，各鉆孔的測段布置情況及相應(yīng)的鉆孔方向。為了獲得更準(zhǔn)確的高地應(yīng)力條件下地應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果，鑒于水壓致裂法只能測得鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力場，且單獨一種測試方法獲得的結(jié)果說服力不強，故筆者在施工支洞內(nèi)布置了3個測試鉆孔，進行了一組(兩個水平孔和1個鉛直孔)三維水壓致裂法地應(yīng)力測試。圖2和表2分別為印模結(jié)果、水壓致裂法測試結(jié)果，表3為三維水壓致裂法地應(yīng)力結(jié)果。

圖2 鉆孔壓裂縫印模結(jié)果

表2 水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果

2.2.2 圍巖穩(wěn)定性分析 由表3可知，最大水平主應(yīng)力12.4 MPa，最小水平主應(yīng)力6.5 MPa，鉛直應(yīng)力分量為5.8 MPa，最大水平主應(yīng)力方位N28°E。針對垂直孔KYZK3通過水壓致裂法進行測試，結(jié)果為最大水平主應(yīng)力12.9 MPa，最小水平主應(yīng)力7.0 MPa，最大水平主應(yīng)力方位N25°～32°E，平均值為N28.5°E，即NNE。顯然，采用水壓致裂法與三維水壓致裂法獲得的應(yīng)力大小和方向較為一致，兩種方法獲得的結(jié)果相互驗證，測試結(jié)果真實可靠。測試區(qū)域的應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，測試孔中水平和垂直的應(yīng)力之比較高。

在較完整孔段應(yīng)力值較高，表明同一區(qū)域地應(yīng)力大小受高地應(yīng)力、節(jié)理發(fā)育、巖石完整度的影響。測區(qū)的最大水平主應(yīng)力方向也受高地應(yīng)力、節(jié)理、斷層等的影響，但最大水平應(yīng)力方位仍穩(wěn)在NNE～NE向，工程所在區(qū)域的全新世活動斷裂和區(qū)域地貌的大體走向為NE向，測區(qū)最大水平主應(yīng)力方向與區(qū)域斷裂及區(qū)域地形基本吻合。針對有裂隙的堅硬圍巖，考慮到長期作用下圍巖強度可能降低，故巖石許可抗壓強度取單軸抗壓強度的一半進行折減，即14.35 MPa。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可得，洞壁切向應(yīng)力未超過巖石許可抗壓強度，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。引水隧洞節(jié)理圍巖的穩(wěn)定性也受地應(yīng)力方向的影響，由于最大主應(yīng)力方向與隧道軸線方向夾角未超過30°，故節(jié)理巖體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 三維水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果

在高地應(yīng)力條件下，開挖洞室易引發(fā)巖爆，是否發(fā)生巖爆還取決于開挖洞室的尺寸、斷面形狀、施工方法以及設(shè)計布置的空間位置等多種因素，巖爆也受地質(zhì)構(gòu)造的影響，在斷層帶、破碎帶、節(jié)理密集帶等破碎巖體內(nèi)，則不易發(fā)生巖爆。本文采用強度理論的方法進行巖爆分析研究，即通過圍巖的切向應(yīng)力和巖石單軸抗壓強度判斷巖爆是否發(fā)生及巖爆的強烈程度。通過Russenes巖爆判別法進行巖爆預(yù)測時，需根據(jù)實測主應(yīng)力計算隧道橫截面上應(yīng)力分量，計算公式如下：

(1)

(2)

依據(jù)Russenes巖爆判別法，即洞室的最大切向應(yīng)力σθ與巖石的單軸抗壓強度Rc的比值。其判別關(guān)系如下：

σθ/Rc<0.20 無巖爆

(3)

0.20≤σθ/Rc<0.30 弱巖爆

(4)

0.30≤σθ/Rc<0.55 中巖爆

(5)

σθ/Rc≥0.55 強巖爆

(6)

根據(jù)判別式(3)得最大切向應(yīng)力與巖石的單軸抗壓強度比值為0.19小于0.2，即無巖爆發(fā)生?？紤]到埋深較大，對隧洞洞周節(jié)理巖體的穩(wěn)定性不利，因此建議采取適當(dāng)?shù)闹ёo措施。

3 深埋高地應(yīng)力水工隧洞節(jié)理圍巖穩(wěn)定數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

本文通過3DEC軟件，根據(jù)新疆某引水隧洞工程地質(zhì)條件建立數(shù)值計算模型，為減小邊界效應(yīng)的影響，通常取隧洞洞寬或洞高的5倍左右作為邊界范圍，即模型尺寸定為60 m×60 m×60 m。3DEC的坐標(biāo)系統(tǒng)采用左手法則，為了便于模型建立，本文取水平面為x軸，垂直向上定為z軸正向，y軸為引水隧洞洞軸線向方向。隧洞屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。根據(jù)該隧洞工程地質(zhì)數(shù)據(jù)賦予巖層相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)?？紤]到模擬隧洞在深埋高地應(yīng)力條件下巖體的穩(wěn)定性，故將邊界條件定為左右邊界和上下邊界施加位移約束。根據(jù)工程資料取埋深800 m，由圍巖垂直均布壓力公式算得為21.6 MPa的等效荷載，隧洞上方部分未建立模型的巖體以等效荷載的形式施加在模型的上邊界，即模型上部邊界施加21.6 MPa的垂直壓力。選取典型斷面進行模擬研究，該段圍巖穩(wěn)定主要受節(jié)理發(fā)育控制，主要存在3組節(jié)理，通過fish語言導(dǎo)入到模型中，節(jié)理參數(shù)見3.2節(jié)。建立的隧洞節(jié)理巖體三維數(shù)值模型如圖3。

3.2 參數(shù)的確定

本文參數(shù)的取值通過現(xiàn)場資料和工程類比的方式進行綜合取值，模型中考慮3條遍布整個模型的節(jié)理組J1、J2和J3，主要節(jié)理組參數(shù)見表4，模型巖體及節(jié)理參數(shù)值見表5。

表4 計算中模擬的主要節(jié)理組

3.3 計算結(jié)果分析

為了分析深埋高地應(yīng)力條件下引水隧洞圍巖的穩(wěn)定性，選取典型斷面對其應(yīng)力、位移、塑性區(qū)進行計算并分析。

3.3.1 應(yīng)力分析 通過應(yīng)力變化規(guī)律對隧洞圍巖穩(wěn)定性進行分析，深埋高地應(yīng)力引水隧洞在開挖前圍巖只受初始應(yīng)力場的作用，處于平衡狀態(tài)，應(yīng)力分布均勻，隨深度的增加應(yīng)力變大；隧洞開挖后破壞了應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力進行重新分布。受到高地應(yīng)力、節(jié)理巖體的影響，隧洞洞周圍巖的應(yīng)力分布情況如圖4所示，應(yīng)力分布圖中負(fù)值代表受壓。

由圖4可以看出，洞室附近最大應(yīng)力為13.2 MPa，最大主應(yīng)力在側(cè)墻附近，距離臨空面越近應(yīng)力值越小，隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較為對稱性的應(yīng)力分布。由于節(jié)理的存在使得應(yīng)力分布特征為在圍巖約0.5倍洞徑范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力急劇下降。最大壓應(yīng)力小于巖體抗壓強度28.7 MPa，故巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。巖體或土體的抗拉強度一般比抗壓強度低，易發(fā)生受拉破壞，在高地應(yīng)力的影響下洞室周圍局部小范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力主要集中在側(cè)墻和拱底處，拉應(yīng)力最大為1.32 MPa，但量值較小，小于巖體抗拉強度5.1 MPa，故不足以產(chǎn)生拉裂縫，受力基本滿足穩(wěn)定性要求。

3.3.2 位移分析 受到高地應(yīng)力下節(jié)理巖體的影響，隧洞開挖后引起圍巖應(yīng)力釋放，圍巖向隧洞中心產(chǎn)生位移變化，由于高地應(yīng)力和節(jié)理的存在導(dǎo)致位移量有所增加，圖5為隧洞開挖后洞周圍巖位移分布云圖，位移分布圖中負(fù)值代表方向向下。

表5 巖體及節(jié)理參數(shù)

圖3隧洞節(jié)理巖體三維數(shù)值模型 圖4深埋高地應(yīng)力隧洞洞周應(yīng)力分布

圖5 隧洞開挖后洞周圍巖位移分布

由圖5可以看出，隧洞豎向位移范圍為0～18.0 mm，頂拱下沉底拱隆起，且頂拱的下沉位移較底拱隆起位移小，頂拱下沉位移最大值為8.6 mm，底拱隆起位移最大值為17.7 mm。隧洞在拱底處豎向位移最大，在側(cè)壁橫向位移最大，隧洞的橫向位移范圍為0～25.2 mm。隧洞左、右邊墻位移分布近似對稱，最大值分別為25.1 mm和25.2 mm。實際位移小于允許位移，故圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但側(cè)墻和拱底位移較大，隨著節(jié)理裂隙的發(fā)育，位移可能還會增加，因此，在后期的設(shè)計和運行時需對該部位進行隨機加強支護。

3.3.3 塑性區(qū)分析 圍巖的力學(xué)性狀可通過塑性區(qū)的大小及分布特點表征，塑性區(qū)大則實際松動圈也較大，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)。塑性區(qū)實際上反映了開挖卸載后圍巖松動區(qū)的大小和各期開挖對圍巖的擾動程度，一般采用塑性區(qū)面積或者塑性區(qū)最大深度作為判別圍巖穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[16]。深埋高地應(yīng)力下隧洞開挖后洞周塑性區(qū)分布情況見圖6。

圖6 隧洞開挖后洞周塑性區(qū)分布

由圖6可以看出，塑性區(qū)主要分布在隧洞周圍，與隧洞形狀相似，以剪切塑性區(qū)為主，面積較小，擴展深度也較小。高地應(yīng)力下塑性區(qū)范圍在0～2.1 m，由經(jīng)驗法得知，針對大跨度隧洞，當(dāng)塑性區(qū)深度達到洞跨的0.75～1.00倍時，隧洞可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，顯然該洞室處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受高地應(yīng)力和節(jié)理巖體的塑性影響，側(cè)墻和拱底塑性區(qū)較大，隨節(jié)理發(fā)育可能會發(fā)生潛在的破壞，即這些部位易發(fā)生失穩(wěn)破壞。建議采用中空注漿錨桿加固，錨桿長度稍大于塑性區(qū)厚度，圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)時需采取支護措施，目的是控制圍巖內(nèi)應(yīng)力變化和塑性區(qū)的發(fā)展，限制引水隧洞的圍巖變形和位移增大，提高巖體的承載力。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際相符，后期需關(guān)注出現(xiàn)塑性區(qū)的巖體部位的發(fā)展。

4 結(jié) 論

針對深埋高地應(yīng)力水工隧道的穩(wěn)定性研究，本文采用兩種地應(yīng)力測量方法，并結(jié)合離散元建模進行分析，得到了以下結(jié)論：

(1)通過水壓致裂法測得最大水平主應(yīng)力12.9 MPa，最小水平主應(yīng)力7.0 MPa，最大水平主應(yīng)力方位N25°～32°E，平均值為N28.5°E，即NNE。通過三維水壓致裂法測得最大水平主應(yīng)力12.4 MPa，最小水平主應(yīng)力6.5 MPa，鉛直應(yīng)力分量為5.8 MPa，最大水平主應(yīng)力方位N28°E。對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值上兩者吻合較好，證明數(shù)值計算方法正確，結(jié)果可信。模擬計算結(jié)果為最大主應(yīng)力為12.9 MPa，最小主應(yīng)力為6.8 MPa，模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為一致，研究成果為洞室其他測段和類似工程提供參考。

(2)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)理巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但巖體的穩(wěn)定性受節(jié)理發(fā)育、地應(yīng)力的方向和地質(zhì)構(gòu)造的影響，在斷層帶、破碎帶、節(jié)理密集帶等破碎巖體不易發(fā)生巖爆。結(jié)合本文具體工況和實測地應(yīng)力資料，由地應(yīng)力評估巖爆發(fā)生的可能性，采用強度理論的方法進行巖爆分析研究，由Russenes巖爆判別法可知不會發(fā)生巖爆。

(3)通過離散元模擬發(fā)現(xiàn)，洞室頂拱和底板主要以豎向位移為主，圍巖最大位移出現(xiàn)在側(cè)墻，最大位移值為25.2 mm。隧洞洞周壓應(yīng)力最大值為13.2 MPa，最大主應(yīng)力在側(cè)墻附近，在洞室周圍局部小范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大為1.32 MPa，量值較小不足以產(chǎn)生拉伸破壞。引水隧洞塑性區(qū)主要分布在隧洞周圍與隧洞形狀相似，范圍在0～2.1 m左右。

(4)通過穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果和實測地應(yīng)力較為一致，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但深埋高地應(yīng)力下節(jié)理巖體側(cè)墻、拱底附近位移最大、應(yīng)力最大、塑性區(qū)范圍較大，故后期需對側(cè)墻和拱底加強關(guān)注。