引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞開挖期圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

李榮軍 韓福 雷龍 黨建濤 李卓

摘 要：隧洞巖體的穩(wěn)定性分析是保證施工期和運(yùn)行期安全穩(wěn)定的重要研究課題，隧洞圍巖穩(wěn)定中地應(yīng)力因素有著十分重要的作用，基于引漢濟(jì)渭秦嶺引水隧洞二襯混凝土開裂洞段典型斷面的應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與地形地質(zhì)構(gòu)造條件，運(yùn)用FLAC3D軟件模擬地下隧洞工程的施工開挖。結(jié)果顯示，洞周圍巖總體處于受壓狀態(tài)，主壓應(yīng)力一般為8～38 MPa，在拱頂與右側(cè)拱肩、拱墻與底板交匯處有一定程度的壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力為28～38 MPa。隧洞頂拱位移總體上為5～20 mm，兩側(cè)邊墻朝臨空面方向的位移總體上為5～35 mm，底板回彈變形總體上為5～25 mm，位移較大處在Ⅳ類圍巖中，斷層f處尤其突出。隧洞開挖后產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，以剪切破壞為主，塑性區(qū)主要在Ⅳ類圍巖中，深度3～4 m;靠近斷層區(qū)域塑性區(qū)進(jìn)一步向斷層延伸，局部塑性區(qū)深度達(dá)6 m。

關(guān)鍵詞：模擬;非線性;隧洞;圍巖;塑性變形

中圖分類號(hào)：TV53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.026

引用格式：李榮軍，韓福，雷龍，等.引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞開挖期圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].人民黃河，2021，43（11）：137-139，146.

Numerical Analysis of Surrounding Rock Stability During Excavation of

Qinling Tunnel from Hanjiang River to Weihe River

LI Rongjun1， HAN Fu2， LEI Long1， DANG Jiantao1， LI Zhuo1

（1.Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Shaanxi Province， Xian 710024， China;

2.Construction and Operation Bureau of Qinghai Datonghe-to-Huangshui Diversion Project， Xining 810001， China）

Abstract： The stability analysis of tunnel rock mass is an important research topic to ensure the safety and stability of the construction period and operation period. The in-situ stress factor plays a very important role in the stability of tunnel surrounding rock. Based on the stress measurement results of the typical section of the second lining concrete cracking tunnel section of the water diversion tunnel from Hanjiang to Weihe and the geological and topographical conditions， this paper used the FLAC3D software is used to simulate the excavation of underground tunnel. The results show that the surrounding rock around the tunnel is generally in a state of compression， and the main compressive stress is generally between 8 MPa and 38 MPa. There is a certain degree of compressive stress concentration at the intersection of the vault and the right spandrel， the arch wall and the bottom plate， with the magnitude of 28 MPa to 38 MPa. The displacement of the tunnel top arch is generally between 5 and 20 mm; the displacement of the side walls on both sides towards the free face is generally between 5 and 35 mm; the rebound deformation of the bottom plate is generally between 5 and 25 mm; the larger displacement occurs in class IV surrounding rock， especially at fault F. After the tunnel excavation， a certain range of plastic zone is produced， which is mainly shear failure. The plastic zone mainly appears in class IV surrounding rock， and the depth is within 3-4 m; in the area near the fault， the plastic zone further extends to the fault， and the depth of local plastic zone reaches to 6 m.

Key words： simulation; nonlinear; tunnel; lining structure; plastic deformation

地下洞室的開挖施工是一個(gè)特別復(fù)雜的動(dòng)態(tài)加卸載物理力學(xué)變化過程，隧洞開挖作業(yè)后巖體的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)變化分布規(guī)律和巖體的應(yīng)力路徑存在著一定的關(guān)聯(lián)性，和隧洞開挖作業(yè)施工方法、施工步驟、襯砌支護(hù)方式和時(shí)間有著千絲萬縷的聯(lián)系[1-2]。杜小洲[3]通過高地應(yīng)力及襯砌外水壓力分析，研究了秦嶺輸水隧洞硬巖變形的成因?？当蟮萚4]研究了高地應(yīng)力下水工隧洞掘進(jìn)施工技術(shù)，提出了應(yīng)對(duì)措施。劉武斌等[5]通過某泄洪洞的安全監(jiān)測設(shè)計(jì)，探究了施工期圍巖變形及應(yīng)力特征。賈超等[6]分析了蝕變巖體對(duì)隧洞不同部位圍巖變形的影響。

筆者應(yīng)用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件，以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞出口段具體地質(zhì)條件和實(shí)測地應(yīng)力為背景，對(duì)樁號(hào)K75+900—K76+900洞段建立三維局部模型，采用全斷面法模擬隧洞開挖，結(jié)合隧洞位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)隧洞開挖期圍巖整體與局部穩(wěn)定性，綜合評(píng)判施工期隧洞的安全穩(wěn)定性。

1 工程概況

陜西引漢濟(jì)渭調(diào)水工程秦嶺隧洞出口段主洞設(shè)計(jì)流量為70.0 m3/s，坡降為1/2 530，主洞斷面內(nèi)輪廓為6.76 m×6.76 m的馬蹄形平底斷面（運(yùn)行期），工程位于陜西省周至縣，采用鉆爆法開挖。2019年出口段工程施工完成，2020年在隧洞兩側(cè)拱腰位置出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，襯砌混凝土最大縫寬0.5 mm，最大縫長92 m，裂縫面少量滲水，夾帶白色鈣化物。針對(duì)典型樁號(hào)段K76+540—K76+230局部二次襯砌開裂問題，在隧洞典型斷面樁號(hào)K76+460部位（底板高程512.1 m）附近布置3個(gè)測孔，開展了現(xiàn)場三維水壓致裂法地應(yīng)力測試及地應(yīng)力回歸反演分析等。

工程范圍內(nèi)主要涉及地層為中下元古界大理巖、云母片巖。其主要工程地質(zhì)特征如下：①大理巖，灰白色，礦物成分主要為白云巖、方解石，片理較發(fā)育，條帶狀構(gòu)造。巖體表層強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化層厚1～3 m，巖石堅(jiān)固系數(shù)f=400 kPa，完整基巖f=1 000 kPa。②云母片巖，巖體表層強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化層厚4～40 m，f=400 kPa，完整基巖f=700 kPa。隧洞出口段K76+471—K76+414、K76+402—K76+290為Ⅱ類圍巖，巖性為中元古界寬坪巖群廣東坪組大理巖夾云母片巖，埋深695～800 m，開挖巖性多為大理巖、少量石英片巖，巖體弱風(fēng)化，巖石呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。

2 隧洞開挖施工期數(shù)值模擬

選用ITASCA公司開發(fā)的FLAC3D軟件進(jìn)行模擬，此軟件主要應(yīng)用于具有連續(xù)介質(zhì)力學(xué)特征結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，其求解過程選擇三維快速拉格朗日法。巖體材料本構(gòu)模型主要包括塑性、彈性、空模型。塑性模型包括M-C、D-P、修正的劍橋模型等，其中M-C模型在巖體模擬計(jì)算中使用得較多，此模型能較好地模擬圍巖受到剪應(yīng)力時(shí)的屈服狀態(tài)，因此本文采用M-C模型對(duì)秦嶺引水隧洞開挖施工期進(jìn)行數(shù)值模擬。

按照實(shí)際求解方法的邊界條件，在建立隧洞開挖局域精細(xì)子模型時(shí)，令秦嶺隧洞開挖施工期模擬的局域模型坐標(biāo)系與初始應(yīng)力場反演模型的保持一致，即X軸平行于隧洞軸線方向，Y軸垂直于隧洞軸線方向，Z軸為鉛直方向。隧洞開挖毛洞實(shí)際斷面寬為8.10 m、高為7.88 m，模型的計(jì)算范圍為80 m×80 m×1 000 m。對(duì)秦嶺隧洞出口段的開挖施工選用彈塑性有限元三維模型進(jìn)行模擬分析，有限元模型劃分的單元體和節(jié)點(diǎn)分別為837 894個(gè)和148 794個(gè)（見圖1）。

為模擬隧洞圍巖一定范圍內(nèi)的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，借鑒參數(shù)弱化法將距隧洞開挖臨空面8 m范圍內(nèi)的圍巖體進(jìn)行弱化，其中距開挖臨空面4 m為強(qiáng)卸荷區(qū)、4～8 m為弱卸荷區(qū)。本次開挖計(jì)算時(shí)，各巖層和斷層所采用的物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1，卸荷區(qū)相應(yīng)類別圍巖的參數(shù)折減系數(shù)為0.4～0.6。

采用FLAC3D軟件來模擬巖體地下工程開挖施工時(shí)一般選用del zonerange或null模型。本文對(duì)挖掉的巖體選擇null模型進(jìn)行仿真模擬，隧洞結(jié)構(gòu)開挖區(qū)域的應(yīng)力會(huì)消失，在沒有體力影響的條件下隧洞開挖施工分析過程為：設(shè)定隧洞巖體在無開挖擾動(dòng)情況下的初始地應(yīng)力場分布狀態(tài)，同時(shí)對(duì)初始位移場進(jìn)行歸零處理;將一組開挖單元相反方向的節(jié)點(diǎn)力荷載疊加到原有應(yīng)力場中，使巖體挖除部分對(duì)作業(yè)面產(chǎn)生的作用力得到相應(yīng)沖抵，同時(shí)移除此作業(yè)面上所有的單元;將施工開挖中的位移增量和應(yīng)力增量與求得的位移場和應(yīng)力場疊加，獲得開挖完成后的應(yīng)力場、位移場;循環(huán)進(jìn)行后面的開挖，直到施工全部完成[7]。采用全斷面開挖法對(duì)秦嶺隧洞出口段的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，開挖之前先將初始應(yīng)力場模型中位移場清零，修改巖體材料力學(xué)參數(shù)，然后選用M-C模型進(jìn)行模擬分析。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 應(yīng)力場分析

隧洞開挖施工使得洞周巖體的應(yīng)力場出現(xiàn)重分布，洞周巖體內(nèi)部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，隧洞周圍巖體的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力分別產(chǎn)生了減小和增大現(xiàn)象，臨空面一定范圍內(nèi)的巖體從三向應(yīng)力轉(zhuǎn)化成為平面應(yīng)力。洞周圍巖總體處于受壓狀態(tài)，主壓應(yīng)力一般為8～38 MPa，在拱頂和右側(cè)拱肩、邊墻與底板交匯處有一定程度的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力值為28～38 MPa。Ⅲ類、Ⅳ類圍巖及f斷層典型斷面的主應(yīng)力分布見圖2～圖4。

3.2 位移場分析

隧洞開挖過程結(jié)束及變形穩(wěn)定后，隧洞四周均向洞內(nèi)變形，頂拱出現(xiàn)下沉，底板存在回彈現(xiàn)象。隧洞頂拱位移總體上為5～20 mm;兩側(cè)邊墻朝臨空面方向的位移總體上為5～35 mm;底板回彈變形總體上為5～25 mm;位移較大處在Ⅳ類圍巖中，f斷層處尤其突出。沿隧洞軸線縱剖面及Ⅲ類、Ⅳ類圍巖、f斷層典型斷面的位移分布見圖5～圖8。

3.3 塑性區(qū)分析

隧洞巖體開挖產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，以剪切破壞為主，塑性區(qū)主要在Ⅳ類圍巖中，深度為3～4 m;在靠近斷層區(qū)域，塑性區(qū)進(jìn)一步向斷層延伸，局部塑性區(qū)深度達(dá)6 m。

4 結(jié) 論

隧洞開挖期圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析表明：洞周圍巖總體處于受壓狀態(tài)，主壓應(yīng)力一般為 8～38 MPa，在拱頂與右側(cè)拱肩、邊墻與底板交匯處有一定程度的壓應(yīng)力集中;位移較大處在Ⅳ類圍巖中，f斷層處尤其突出。隧洞開挖后產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，以剪切破壞為主，塑性區(qū)主要在Ⅳ類圍巖中;在靠近斷層區(qū)域，塑性區(qū)進(jìn)一步向斷層延伸，局部塑性區(qū)深度達(dá)6 m。建議：對(duì)于局部洞段變形較大部位采用長錨索加固，提

高圍巖穩(wěn)定性與襯砌-圍巖整體性，減小圍巖及襯砌變形，防止或控制襯砌裂縫;在節(jié)理密集段布置適量排水孔，降低外水壓力;對(duì)于頂拱和邊墻局部裂損部位如隧洞二次襯砌混凝土拱墻局部拉裂、掉塊部位，可采用局部鑿除補(bǔ)強(qiáng)法處理;若隧洞圍巖類別優(yōu)于Ⅲ類（含Ⅲ類），則對(duì)1.0～5.0 mm且密度較小的混凝土裂縫主要采用錨固注漿法進(jìn)行修補(bǔ)。

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[7] 劉允芳，尹健民，劉元坤，等.地應(yīng)力測量方法和工程應(yīng)用[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2014：53-66.

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