大伙房水庫不良地段圍巖變形特征與加固研究

崔文艷，于志華，宋 建，楊 昊

（東北大學資源與土木學院，遼寧 沈陽 110004）

大伙房水庫輸水工程，是一項具世界性的大型輸水工程，由于其復雜的地質條件及發育的斷裂構造，巖石嚴重風化，存在引發危機人身、財產、工程或環境安全的事件，處理不好將成為地質災害，因此對圍巖穩定性的分析及其變形特征與加固研究的進行是十分必要的[1]。

而MIDAS/GTS強大的實體建模能力可以快速精確地模擬復雜的隧洞結構，通過功能完善的網格劃分工具即可生成理想的三維有限元網格，并且其計算精度和速度也很高。本文應用MIDAS/GTS軟件選取大伙房水庫樁號為27+500 m附近不良地質洞段進行數值模擬，通過分析其應力場特征和位移特征討論其圍巖的穩定性特征，同時提出可靠的加固措施。

MIDAS/GTS的一般操作流程：建立幾何模型→劃分網格→設定分析條件→分析→查看結果。

1 計算模型的建立

1.1 物理力學參數的確定

依照地質勘察以及工程設計，圍巖分類采用GB50287-99《水利水電工程地質勘察規范》附錄P“圍巖工程地質分類”；具體實驗由遼寧省水利水電規劃總院實驗室完成，可將該區域圍巖定為Ⅴ類，圍巖物理力學參數見表1。

根據隧洞圍巖的物理力學性質，采用了彈塑性的非線性有限元法，圍巖的本構關系采用Mohr-Coulomb模型，模擬隧洞與地層在開挖過程中的非線性變形特性。根據地質資料材料說明，此段巖體幾條較大規模的斷層和節理裂隙對圍巖穩定有較大的影響。對于錨桿，往往采用桿單元進行模擬，噴射混凝土采用板單元進行模擬。

表1 圍巖力學參數

1.2 模型的建立

本工程屬于深埋長大隧洞,采用有限元法進行三維仿真計算,為了使計算模型更接近實際,圍巖模型高度取6倍洞徑、寬度取8倍洞徑,洞徑8.0 m TBM成洞直徑8 m，其幾何尺寸 （長×寬×高）為50 m×64 m×48 m，利用自動劃分網格規則生成Tetra形態的三維網格。計算模型的邊界條件為：底面為豎向約束，四周圍巖外邊界面為垂直圍巖面法向約束，上邊界為荷載自由邊界，根據上部覆土的厚度轉化成均勻荷載施加壓力。

2 圍巖穩定性分析

圍巖穩定是隧道安全運行的基本條件，如何維持隧道圍巖穩定是隧道工程中最基本的問題之一。圓形洞室開挖后，使原來處于擠壓狀態的圍巖失去支撐而向洞內出現了不同程度的回彈變形，如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發生破壞。下面通過圍巖的應力場和位移場，得出該區域加固前圍巖變形特征[2-4]。

2.1 圍巖應力分析

圖1 加固前圍巖第一主應力

從加固前圍巖第一主應力云圖（如圖1所示）可以看出，隧道的開挖破壞了巖體原有的相對應力平衡狀態，在洞周圍出現應力集中現象，引起了應力重分布。在拱頂和隧底附近均出現了很小范圍的壓應力，最大值為11.61 MPa，分布在隧頂部位，而且在洞室兩側，洞周最大壓應力值逐步增加，在模型中間部位壓應力最大。壓力太大使圍巖極其不穩定，容易引起圍巖坍塌。因此，施工過程中應及時施作仰拱，采取有效的加固措施，使隧道開挖面形成封閉承載環，提高隧道的穩定性。

2.2 圍巖位移分析

從加固前Z方向位移圖（如圖1所示）可以看出，Z方向的位移最大值高大12.46 mm，中局部收斂變形較大，發生塑性變形，嚴重影響了圍巖的穩定性，應及時進行圍巖的變形監測并進行加固分析，使圍巖變形漸趨穩定。

3 變形監測與加固分析

TBM1施工段共有3處不良地質段，尤以樁號27+500附近的不良地質洞段最為嚴重，經臨時監控量測結果顯示初期支護后，拱腳部位發生嚴重扭曲，且頂拱噴混凝土出現部分掉塊現象，圍巖局部收斂變形較大，發生了塑性變形，在該斷面附近仰拱隆起高度高達82.4 mm。為準確檢測圍巖變形，TBM1施工段在每個觀測斷面布置3套多點位移計以監測輸水洞圍巖變形情況,多點位移計分別埋設在頂拱和洞室腰線部位,觀測成果見圖1[5-6]。

圖2 加固前Z方向位移云圖

圖3 27+500斷面拱頂下沉變化曲線

經監控量測結果顯示圍巖收斂，加固前圍巖受節理和斷層的影響，迅速發生較嚴重的變形，拱頂下沉位移變化較快幾乎成線性，圍巖極其不穩定。另外根據軟件模擬，利用指數函數對模型圍巖拱頂節點位移的變化進行分析，拱頂下沉變化曲線見圖3，與現場測量的數據基本相符，也證實的圍巖的不穩定性。

為保證洞室穩定和人員、設備安全，遏制塑性大變形的持續發展，因此TBM在不良地質洞段施工時采取了加固措施：在原有初期支護基礎上，采取I10工字鋼和φ25鎖腳連接，使鋼拱架形成一個密封的骨架，增加支護強度；底板澆筑C25混凝土和邊頂拱噴射混凝土連接，形成一個封閉薄殼結構；同時頂拱120°范圍內設置φ25 L=4 m的錨桿，把鋼拱架、噴射混凝土與圍巖連成一個受力體，進一步加固圍巖的穩定性。

通過加固后檢測圍巖的數據，進行反分析，再次模擬圍巖的參數變化，見圖4，可以看出加固后圍巖彈性模量和凝聚力都增加了，幾乎達到Ⅱ類圍巖的強度。

圖4 加固后圍巖第一主應力云圖

加固后根據監控量測成果以及軟件模擬的主應力云圖的對比，圍巖最大主應力明顯降低，拱頂位移下沉速度也低于0.1 mm/d,圍巖基本穩定。所以加固措施有效地阻止了圍巖收斂變形的大幅度增長，并且隨著增設的錨桿支護措施使圍巖變形進一步得到控制。

4 結語

1）運用大型有限元工程計算軟件MIDAS/GTS分別對大伙房水庫加固前和加固后兩種條件的施工過程進行動態數值模擬，從而得到隧洞結構的應力分布和位移規律，能較好地模擬隧洞開挖后圍巖的變化。

2）及時對不良洞段進行監控量測,掌握圍巖變形動態信息,以便判斷支護措施的合理性,為后期施工支護參數的選取以及相應的穩定措施提供比較準確的參考。

3）隧洞開挖通過這樣的工程地質段，存在著巨大的困難。在遭遇塑性變形等不良地質條件的情況下，經過現場實踐和各類監測數據表明，對這一不良地質段洞室巖體的有效加固及處理，消除了涌水與塌方問題，使工程安全優質地通過了這一不良地質段，為整個大伙房水庫輸水工程的預期完工攻下了一大難關。

［1］大伙房水庫引水隧洞可行性報告［R］.遼寧省水利水電規劃設計院，2004.

［2］孫祥，楊子榮，趙忠英．大伙房水庫輸水隧洞地應力場特征［J］．巖土工程技術，2005（5）：264-267．

［3］王思敬，楊志法，劉竹華．地下工程圍巖穩定分析［M］．北京：科學出版社，1984．

［4］賈金剛，王天佑，李珩，董鋒.大伙房水庫輸水工程圍巖穩定性數值分析［J］.現代礦業，2010（1）：73-76.

［5］楊勝，黃志文，陳霞.TBM施工隧洞塑性變形圍巖的處理與監測分析［J］.東北水利水電，2010（9）：7-9.

［6］張照太，陳竹，馬鵬輝.大伙房引水隧洞不良地質洞段圍巖變形監測及支護措施分析［J］.現代隧道技術，2007（5）：68-71.