隧洞口巖體變形監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性分析

石立國(guó) 鄭 雄 祝 羿

中國(guó)建筑第二工程局有限公司 北京 100054

巖體穩(wěn)定性研究一直是巖土工程領(lǐng)域的基本問(wèn)題之一，尤其是在眾多坡體失穩(wěn)等自然災(zāi)害發(fā)生之后，更得到了廣泛的關(guān)注，目前巖體變形與穩(wěn)定性已成為巖土工程中重要的研究方向。

為保證工程安全性，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析并采取相應(yīng)的預(yù)報(bào)控制措施，有利于施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)控制。

巖土工程穩(wěn)定性分析常使用的有極限平衡法和數(shù)值計(jì)算方法[1-2]，對(duì)其變形失穩(wěn)機(jī)制的研究，目前多采用野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析等方法[3-4]。有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，可適用于比較復(fù)雜的邊界條件，充分考慮了巖土體的非物質(zhì)性和不連續(xù)性，可以直觀地模擬巖體外部形態(tài)和內(nèi)部介質(zhì)的變化情況。實(shí)體內(nèi)部介質(zhì)通過(guò)有限差分法，能直觀地顯示實(shí)體位移量、應(yīng)力特征和潛在破裂區(qū)等[5-6]，對(duì)其穩(wěn)定性狀況以及易破壞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)先評(píng)判，從而可降低施工中發(fā)生事故的概率。

本文將結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)隧洞口巖體邊坡的變形特征與安全狀況展開分析和對(duì)比，保證施工過(guò)程中隧洞與周邊環(huán)境的安全。

1 工程地質(zhì)條件

某水電工程地下電站尾水隧洞出口單級(jí)坡比為1∶0.3，巖體主要由灰色薄層灰?guī)r、灰色中厚層灰?guī)r地層構(gòu)成。巖體邊坡結(jié)構(gòu)為陡傾橫向坡，強(qiáng)卸荷帶水平寬一般為10 m，弱卸荷帶一般為16～25 m。巖體邊坡中部高程950～1 060 m間的緩坡對(duì)上部的崩塌塊石有緩沖作用，邊坡上發(fā)育的塊體可能影響施工及工程運(yùn)行安全。右岸尾水出口處巖體巖性復(fù)雜，影響范圍內(nèi)的巖體主要由落雪組第八、九、十段組成。整體圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，巖體力學(xué)參數(shù)較好，邊坡表層有淺層強(qiáng)、弱卸荷帶，巖體材料參數(shù)相對(duì)較差。

2 變形監(jiān)測(cè)分析

隧洞出口巖體坡表面布置有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取6個(gè)典型代表性的有效測(cè)點(diǎn)TP01～TP06，高程依次分別為962、895、866、956、926、867 m。

由6個(gè)表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平（朝向臨空方向）變形累計(jì)值（圖1）可知，近5年來(lái)，各部位水平位移均變化不大，最大不超過(guò)9 mm，總體的變化規(guī)律趨勢(shì)具有相似一致性，協(xié)調(diào)性較好。其中，水平位移最大部位為867 m高程的測(cè)點(diǎn)TP06，但位于同樣低高程的測(cè)點(diǎn)TP03位移卻相對(duì)較小。900 m高程以上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)位移值均較小，變化規(guī)律相似，最大不超過(guò)5 mm。由此可見，高程高的部位變形相對(duì)較小，但水平位移變化與高程并無(wú)必然聯(lián)系。

圖1 水平變形累計(jì)值

由表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移累計(jì)值（圖2）可知，近5年來(lái)，各部位的垂直位移變化總體較平穩(wěn)，在平穩(wěn)中逐漸增大，變化規(guī)律趨勢(shì)具有相似一致性。其中，垂直位移最大部位為866 m高程的測(cè)點(diǎn)TP03，最大沉降達(dá)15 mm，位于幾乎相同高程的測(cè)點(diǎn)TP06沉降也大于其他高程的測(cè)點(diǎn)。900 m高程以上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直位移值均較小。

圖2 垂直變形累計(jì)值

由此可見，高程低的部位沉降普遍大于高程高的部位。

由表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移月動(dòng)態(tài)改變量（圖3）可知，近5年來(lái)，各部位的水平位移處于動(dòng)態(tài)變化之中，處于0值上下變化，基本在－4～4 mm間起伏波動(dòng)，總體變化平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)變化規(guī)律也具有一定的相似性。高程低的點(diǎn)TP06變化相對(duì)最大，但月變化量不超過(guò)5 mm。

圖3 水平位移月動(dòng)態(tài)改變量

從位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，目前位移量值較小，總體變化平穩(wěn)，無(wú)突變、陡增現(xiàn)象，巖體邊坡暫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 計(jì)算方法與本構(gòu)模型

采用Flac3D中Fish語(yǔ)言自編強(qiáng)度折減程序，對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行有效計(jì)算，其中的參數(shù)強(qiáng)度折減為：

式中：F——強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)；

c、φ——有效黏聚力和內(nèi)摩擦角；

c'、φ' ——折減后的有效黏聚力和內(nèi)摩擦角。

本構(gòu)模型為各向同性彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb（M-C）準(zhǔn)則，其力學(xué)模型為：

式中：σ1、σ3——最大、最小主應(yīng)力；

f——屈服函數(shù)，且f＞0時(shí)，材料處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，f＜0時(shí)，材料處于彈性變形階段，f=0時(shí)，處于彈、塑性的臨界狀態(tài)。

以上即為剪切破壞判據(jù)，拉伸破壞判據(jù)為：

式中：σt——巖體抗拉強(qiáng)度。

在有限差分程序中，巖體的體積模量、剪切模量分別由下式計(jì)算：

式中：K、G——體積模量、剪切模量；

E——彈性模量；

ν——泊松比。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型建立

根據(jù)該區(qū)工程地質(zhì)條件，建立區(qū)域三維數(shù)值計(jì)算模型（圖4）。

計(jì)算模型主要包括尾水出口邊坡、尾水隧洞、高導(dǎo)流洞等，坐標(biāo)原點(diǎn)位于高導(dǎo)流洞出口中心點(diǎn)處，x軸與尾水洞軸線重合，指向尾水洞出口方向?yàn)檎?，y軸從6#尾水隧洞指向4#尾水隧洞為正；z軸與大地坐標(biāo)系重合，向上為正。模型計(jì)算范圍為：268.18 m×230.90 m×339.00 m（x×y×z）。共劃分單元47 665個(gè)、節(jié)點(diǎn)51 202個(gè)。數(shù)值計(jì)算共分11期開挖，前2期開挖為高導(dǎo)流洞、尾水隧洞間隔開挖，第3～11期為出口邊坡開挖。數(shù)值模型各材料參數(shù)值如表1所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算條件

初始地應(yīng)力場(chǎng)采用自重應(yīng)力場(chǎng)，其中側(cè)壓力系數(shù)根據(jù)附近地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果綜合比較，選取0.8。采用三維彈塑性有限差分法對(duì)整體模型進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。計(jì)算工況采用以下2種：

1）施工工況：模擬出口邊坡的施工開挖與支護(hù)過(guò)程，該工況分2種計(jì)算方案，分別為無(wú)支護(hù)和施加系統(tǒng)支護(hù)。

2）正常運(yùn)行工況：分析水庫(kù)蓄水后人工邊坡的變形、應(yīng)力與支護(hù)受力情況（水庫(kù)正常蓄水位為975 m），下游尾水位為847.86 m。

3.4 施工工況結(jié)果分析

破壞區(qū)體積總量及破壞區(qū)深度如表2、表3所示。由隧洞口破壞區(qū)分布（圖5）可知，無(wú)支護(hù)和有支護(hù)方案，邊坡整體破壞區(qū)分布規(guī)律基本相同，邊坡巖體破壞區(qū)主要位于尾水出口洞臉部位。有支護(hù)方案邊坡破壞區(qū)范圍、深度、破壞總體積較無(wú)支護(hù)方案有明顯減小，其中開裂區(qū)深度最大減小55.0%，塑性區(qū)深度最大減小63.4%，破壞總體積減小46.2%。邊坡破壞區(qū)主要集中在洞臉部位，最大破壞區(qū)深度達(dá)9.56 m，位于5#尾水隧洞附近。5#、6#尾水隧洞出口巖柱破壞區(qū)貫穿，深度約7 m，在系統(tǒng)錨桿控制范圍內(nèi)。

由施工期尾水出口邊坡主應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果（圖6、圖7）可以看出，相對(duì)于無(wú)支護(hù)條件，錨固支護(hù)在一定程度上改善了邊坡巖體的受力情況，第1、3主應(yīng)力均有一定程度減小，且整個(gè)坡體應(yīng)力分布更為均勻。有支護(hù)條件下，邊坡開挖完成后，與初始地應(yīng)力相比，受開挖卸荷影響在表層強(qiáng)卸荷帶和淺層弱卸荷帶坡體第1主應(yīng)力有所減小，量值范圍為－1.18～0.08 MPa，主要為壓應(yīng)力，第3主應(yīng)力范圍為0.06～0.99 MPa。下部新鮮巖體豎直邊坡段第1主應(yīng)力較初始地應(yīng)力有所增大，量值范圍為－3.68～0.08 MPa，第3主應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，量值范圍為0.06～1.30 MPa，局部出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。總體看來(lái)，邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)小于該部位巖體的抗壓、抗拉強(qiáng)度，因此局部應(yīng)力集中不會(huì)引起邊坡的整體失穩(wěn)。

表2 施工期不同計(jì)算方案邊坡破壞區(qū)體積

表3 2種支護(hù)條件下開挖完畢典型斷面破壞區(qū)深度（單位：m）

圖5 洞臉邊坡破壞區(qū)分布

由巖體位移分布（圖8）可知，不同的計(jì)算方案，邊坡巖體的位移分布規(guī)律大致相同，從邊坡頂部至底部位移逐漸增大。位移較大處均位于落雪組第九段直立邊坡處。有支護(hù)較無(wú)支護(hù)方案，邊坡變形有明顯減小，其中強(qiáng)卸荷部位坡體變形范圍為0.5～1.7 mm，相應(yīng)減小約60.5%，弱卸荷部位坡體變形范圍為0.2～5.1 mm，相應(yīng)減小約50.1%，新鮮巖體斜坡段變形范圍為1.2～7.5 mm，相應(yīng)減小約47.6%，新鮮巖體豎直坡段變形范圍為2.1～12.1 mm，相應(yīng)減小約34.9%?？梢?，噴錨支護(hù)對(duì)邊坡變形有較好的限制作用，整體邊坡支護(hù)參數(shù)較為合理。

圖7 施工期第3主應(yīng)力分布云圖

圖8 施工期位移分布云圖

3.5 正常運(yùn)行工況結(jié)果分析

正常運(yùn)行期，區(qū)域巖體破壞區(qū)分布規(guī)律與有支護(hù)開挖完畢時(shí)基本相同。相對(duì)于無(wú)支護(hù)情況，直立邊坡塑性區(qū)大部回彈，且大量開裂區(qū)調(diào)整為塑性區(qū)，開裂區(qū)深度減小達(dá)50%。總破壞體積比有支護(hù)條件減小約19.8%。

與施工期相比，邊坡上部應(yīng)力基本相當(dāng)，下部第1主應(yīng)力范圍為－3.25～0.32 MPa，第3主應(yīng)力范圍為0.06～1.06 MPa。最大壓應(yīng)力為－3.92 MPa，最大拉應(yīng)力為1.20 MPa，均出現(xiàn)在隧洞出口附近，邊坡第1主應(yīng)力壓應(yīng)力值不大，拉應(yīng)力值也遠(yuǎn)低于邊坡巖體的極限抗拉強(qiáng)度。

運(yùn)行期邊坡上部斜坡段位移在8.0 mm以內(nèi)，最大位移為11.1 mm，出現(xiàn)在5#、6#隧洞洞臉處。

運(yùn)行期邊坡錨桿應(yīng)力范圍為0.1～60.5 MPa。相對(duì)于施工期，正常運(yùn)行工況錨桿應(yīng)力略有減小，最大錨桿應(yīng)力值為60.5 MPa，比施工期減小約2.3 MPa，最大錨桿應(yīng)力出現(xiàn)在5#、6#隧洞。邊坡錨索應(yīng)力范圍為1 016.9～1 025.4 MPa?？傮w而言，錨桿、錨索應(yīng)力水平較低，均在設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍內(nèi)。綜上所述，可以認(rèn)為，該導(dǎo)流隧洞出口邊坡開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)合理，巖體邊坡整體穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)多年實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)分析，隧洞出口邊坡巖體變位平穩(wěn)，總體正常，沒(méi)有出現(xiàn)位移突變的跡象。

2）通過(guò)對(duì)比數(shù)值分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，模擬反饋結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，驗(yàn)證了利用有限差分法開展巖體變形與安全分析的合理性和可行性。

3）通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算法對(duì)隧洞出口巖體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬和分析評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)潛在易破壞區(qū)，具有較好的效果，且有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法考慮了巖土體的非線性大變形，克服了傳統(tǒng)極限平衡分析和有限元法的不足。