滇中紅層軟巖大變形預(yù)測分級研究
——以滇中引水工程大轉(zhuǎn)彎隧洞為例

李 昱 趙 信 李克獻

（1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

隨著中國地下工程建設(shè)的不斷發(fā)展，隧洞建設(shè)逐漸變得更復(fù)雜。復(fù)雜的工程地質(zhì)條件與力學(xué)特征使得隧洞建設(shè)更加困難，其中軟巖大變形成為國內(nèi)外學(xué)者研究的主要熱點之一。例如木寨嶺公路隧洞［1］、大草山公路隧洞［2］和白石頭鐵路隧洞［3］等。軟巖大變形是指隧洞開挖后，圍巖受力條件突然變化，加之巖體本身的構(gòu)造強度不足以支撐洞室，從而導(dǎo)致巖體的大變形。為此，需要工程在設(shè)計與建設(shè)之前對圍巖的變形進行合理的預(yù)測和評估，從而降低或規(guī)避大變形帶來的不利影響。

在對軟巖隧洞進行變形預(yù)測方面，國內(nèi)外學(xué)者已提出了多種預(yù)測指標(biāo)及量化方法，主要包括：基于工程實踐的經(jīng)驗方法，如Singh 等［4］提出的基于埋深和Q 系統(tǒng)的方法、Goel 等［5］提出的基于隧洞凈寬和巖體質(zhì)量N 的方法；基于半經(jīng)驗半理論的方法，如Hoek 等［6］提出的基于巖體強度應(yīng)力比的方法、陳衛(wèi)忠等［7］提出的基于修正［BQ］值的方法。本研究以滇中引水工程楚雄段隧洞為例，通過研究滇中紅層力學(xué)特性以及模擬隧洞施工開挖后的變形規(guī)律來預(yù)測軟巖大變形等級，并提出相應(yīng)的大變形分級標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果對滇中紅層隧洞軟巖大變形預(yù)測和分級具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

滇中引水工程楚雄段隧洞位于云南省楚雄市，由云南滇中引水工程有限公司承建，滇中引水工程輸水線路楚雄段（萬家—羅茨）線路穿越的滇中紅層長度約為131.5 km，占該段線路全長的92%。根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，該地區(qū)廣泛分布著泥質(zhì)頁巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)巖，其透水性弱，親水性強，遇水易軟化，失水易崩解，且其力學(xué)性能較差（巖石單軸飽和壓縮強度<30 MPa)；第三系沉積盆地內(nèi)物質(zhì)成分復(fù)雜，既有砂、泥、礫巖等地層，又有豐富的油泥、煤等有機質(zhì)，多數(shù)為非膠結(jié)-泥質(zhì)膠結(jié)體，表現(xiàn)為強度低、水穩(wěn)定性差，成洞條件及承載力較差。因此，施工過程中易出現(xiàn)軟巖大變形，對施工安全有較大影響。

2 分級方法

2.1 軟巖大變形預(yù)測分級方法

單以“位移值（含相對變形）/破壞程度”作為分級指標(biāo)，實質(zhì)上是以變形的表觀現(xiàn)象進行分級，僅描繪了支護系統(tǒng)的變形能力，缺少對變形的預(yù)測，難以直接服務(wù)于工程。而以“相對變形”作為分級指標(biāo)，具有很好的應(yīng)用價值，可實現(xiàn)對擠壓變形的預(yù)測，但其缺少對“施工與支護”的描述，難以體現(xiàn)“人為因素”對變形的影響，致使獲取的變形分級標(biāo)準(zhǔn)大多應(yīng)用于前期設(shè)計階段，而在施工階段的應(yīng)用價值偏低。基于此，綜合2 個以上的分級指標(biāo)應(yīng)當(dāng)是最優(yōu)的分級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 滇中引水大轉(zhuǎn)彎隧洞大變形分級方法

基于國際廣泛采用的Hoek［6］方案將隧洞擠壓變形等級分為4 級，即輕微擠壓變形(1%≤ε≤2.5%)，中等擠壓變形(2.5%＜ε≤5%)，嚴(yán)重擠壓變形(5%＜ε≤10%)，極嚴(yán)重擠壓變形(ε＞10%)。以表1 中數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對軟巖大變形進行分級。

表1 滇中引水工程軟巖隧洞擠壓變形評價方法

采用國內(nèi)工程巖體修正值［BQ］［8］分級系統(tǒng)，對地下工程巖體進行定級。根據(jù)各種類型工程的特征，將地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)、工程軸線走向的指向與主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的組合關(guān)系等需要的校正因素考慮在內(nèi)，對巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進行校正，并將其應(yīng)用于巖體基本質(zhì)量指標(biāo)校正值［BQ］。

3 大變形預(yù)測分級數(shù)值模擬研究

3.1 計算模型

FLAC3D程序被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)受力特性模擬，能夠?qū)λ矶慈S結(jié)構(gòu)受力特性進行模擬，滿足建模需要。因此本研究主要基于FLAC3D程序建立三維數(shù)值模型，分析各計算工況下隧洞位移情況。滇中引水隧洞模型如圖1 所示，其為FLAC3D中截取的圍巖主體部分，整體圍巖尺寸為長×寬=44 m×48 m，共計劃分為5 900 個單元，9 117 個節(jié)點。模型邊界條件為：水平方向是左右外邊界施加橫向荷載以模擬水平應(yīng)力場，豎直方向是頂部外邊界施加豎向荷載以模擬隧洞埋深［9］。

圖1 滇中引水隧洞模型

3.2 計算斷面及參數(shù)選取

軟巖隧洞圍巖變形量主要取決于巖體特性、地應(yīng)力場變化。因此，在選擇計算典型斷面時，應(yīng)著重考慮隧洞設(shè)計以及地質(zhì)勘探資料所提供的巖性分布情況，選取各巖性中應(yīng)力水平最大與最小的兩個斷面作為研究計算斷面，斷面的詳細(xì)參數(shù)見表2。在進行計算時，應(yīng)依據(jù)已有的地質(zhì)勘探資料，并結(jié)合類似工程等因素，選擇相應(yīng)的巖土的物理力學(xué)參數(shù)，見表3。

表2 軟巖大變形預(yù)測相關(guān)計算資料

表3 滇中紅層巖土體參數(shù)取值

3.3 數(shù)值模擬計算實現(xiàn)方法

基于多工況計算方法，模擬不同計算斷面的參數(shù)和初始應(yīng)力場下的隧洞開挖位移。通過FLAC3D重啟動功能和FISH語言程序為核心的方法［9］，計算模擬了15 個分段，其中每個分段選取最大應(yīng)力水平和最小應(yīng)力水平兩個斷面分別計算，共計30 種工況。計算模型開挖邊界：水平方向距離模型外邊界18 m，豎直方向距離模型外邊界20 m，具體實現(xiàn)步驟：①地應(yīng)力平衡計算，基于STRESSBOUNDARY（S-B 法）對選定的斷面進行初始的應(yīng)力場計算，得到真實的應(yīng)力分布。②基于摩爾-庫倫彈塑性準(zhǔn)則（M-C準(zhǔn)則），賦予數(shù)值模型相應(yīng)的材料參數(shù)，設(shè)置收斂條件為最大不平衡力與典型內(nèi)力的比率＜10-5。

3.4 計算結(jié)果分析

運用FLAC3D程序模擬隧洞開挖，得到位移量見表4。當(dāng)同一巖性時，圍巖質(zhì)量越好，即[BQ]值越高，圍巖位移量越小。以泥巖、砂巖互層的較軟巖類為例，當(dāng)[BQ]值為65 時，該段平均位移量為124.33 mm；當(dāng)[BQ]值為222.5 時，平均位移量為65 mm。

表4 楚雄段各斷面最大位移量

DZWT2+322～3+318 最大位移量和DZWT3+770-4+090 最大位移量如圖2 和圖3 所示。由圖2和圖3 可知，各巖性及各圍巖條件下每個特征點的位移大小及相互之間的關(guān)系。對于同一巖性下，拱腳的位移最小，其次是拱腰的位移較小，然后是拱底的位移較大，最后是拱頂?shù)奈灰谱畲?。隨著圍巖條件的變好，即[BQ]值越大，圍巖位移從164.18 mm縮減到58.26 mm。

圖2 DZWT2+322～3+318最大位移量

圖3 DZWT3+770-4+090最大位移量

基于國際廣泛采用的Hoek 方案將隧洞擠壓變形等級分為4級，參照表1標(biāo)準(zhǔn)，得到大變形程度判別統(tǒng)計，見表5。滇中引水隧洞以中等大變形輕微大變形為主，斷裂帶有嚴(yán)重擠壓變形的可能。具體占比為“輕微”20%、“中等”70%、“嚴(yán)重”5%。由此可知，大轉(zhuǎn)彎隧洞擠壓變形以中等擠壓變形為主，其次為輕微擠壓變形，斷裂帶存在嚴(yán)重擠壓變形的可能。

表5 變形程度判別統(tǒng)計

4 結(jié)論

本研究針對滇中引水工程楚雄段大轉(zhuǎn)彎隧洞，結(jié)合地質(zhì)勘探資料，采用兩種方法相結(jié)合的手段對大變形情況進行分級，得出以下結(jié)論。

①大轉(zhuǎn)彎隧洞主要巖性分為三類：泥質(zhì)巖類為主的軟巖類，泥巖、砂巖互層的較軟巖類，砂質(zhì)巖類為主的堅硬巖類。以泥質(zhì)巖類為主的圍巖條件下，圍巖位移量最大，然后依次是泥巖、砂巖互層的較軟巖類和砂質(zhì)巖類為主的堅硬巖類。

②滇中引水大轉(zhuǎn)彎隧洞以中等大變形輕微大變形為主，斷裂帶有嚴(yán)重擠壓變形的可能。具體占比為“輕微”20%、“中等”70%、“嚴(yán)重”5%。

③對不同變形程度下的位移情況進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示：拱腳的位移最小，拱腰的位移較小，拱底的位移較大，拱頂?shù)奈灰谱畲蟆ｋS著圍巖條件的變好，即[BQ]值越大，圍巖位移從164.18 mm 縮減到58.26 mm。

④以圍巖位移數(shù)據(jù)及工程地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，綜合位移量、[BQ]值制訂了適用于滇中引水隧洞的分級標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了該隧洞圍巖大變形的預(yù)測及大變形分級標(biāo)準(zhǔn)。