隧洞典型斷面圍巖穩定性數值模擬研究與支護設計效果分析

莊 海 龍

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

楊房溝水電站引水隧洞3號施工支洞地質環境復雜，隧址區大量分布炭質板巖，Ⅳ～Ⅴ類圍巖[1]以薄層～極薄層狀板巖、碎裂狀板巖為主，受節理裂隙切割程度、巖塊強度、地下水發育情況、開挖面與層面相互關系等因素影響，圍巖破碎程度和變形特征差異較大。軟弱破碎巖體是引起隧洞開挖過程中出現掌子面塌方、圍巖大變形、掉塊等病害的主要原因，因此，對隧洞圍巖穩定性及支護效果進行分析，對保證水工隧洞安全施工具有重要的意義。

本研究分別建立了Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類圍巖隧洞斷面，對地應力場進行了分析并獲得圍巖應力環境，通過有限元數值模擬方法，分析獲得了圍巖的應力場、變形場和塑性區分布特征[2]，為現場安全開挖提供了參考，同時為支護設計奠定了基礎。

2 隧洞典型斷面圍巖穩定性數值模擬研究

2.1 斷面位置的選取

圍巖應力場以隧址區宏觀和細觀應力場分析結果為基礎，分別選取Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類圍巖代表性斷面位置，提取了該位置圍巖豎向應力和水平應力值(表1)。

2.2 數值模型的建立

由于軟弱、破碎巖體完整性差，在開挖卸荷、地下水環境和應力環境改變下，其力學性能參數的確定極為重要[3]。

表1 圍巖應力水平表

本研究采用FLAC和Abaqus有限元分析軟件，考慮到邊界效應的影響，建立了平面尺寸為50 m×50 m的單位厚度平面應變模型，在模型頂部施加豎向壓力，兩側施加水平壓力。模型邊界應力的大小與隧洞所處位置的埋深相關，根據對全線隧洞埋深及圍巖類別進行分析，Ⅲ類圍巖區取埋深為350 m，Ⅳ類圍巖埋深較大，取為650 m，Ⅴ類圍巖埋深普遍較小，取為300 m，邊界應力量值大小如表2所示，模型底部為固定位移邊界。模擬過程中，首先通過彈性模型計算該模型在自重作用下的自重應力場，然后在模型邊界施加豎向和水平壓力并開挖隧洞，計算此時圍巖的應力場、變形場和塑性區分布特征。隧洞以設計開挖實際尺寸為準(對于不同類別的圍巖，隧洞開挖輪廓尺寸略有差異)，圍巖質量越差其二襯厚度越大，則隧洞開挖輪廓相對越大(表3)。

表2 數值模型巖體物理力學參數表

表3 數值模型隧洞尺寸表

以彈性模型計算生成自重應力場后，施加豎向和水平壓力，同時開挖隧洞，以M-C模型計算開挖后圍巖的應力場、變形場和塑性區分布特征，據此分析圍巖的穩定性。

2.3 圍巖穩定性分析

2.3.1 Ⅲ類圍巖穩定性分析

根據前述圍巖物理力學參數及隧洞幾何參數，采用FLAC3D有限差分程序建立數值模型，并施加豎向和水平應力，模擬隧洞開挖后圍巖的應力場和變形場分布特征。

所獲取的應力場特征為：隧洞輪廓淺層巖體出現拉應力，尤其是拱頂和底板中部位置，處于近似三向受拉作用，邊墻深部圍巖出現較大的壓應力集中區域，最大壓應力達到約20 MPa。

獲取的最大變形特征為：最大水平變形位置位于邊墻到拱肩區域，兩側圍巖向隧洞內的收斂變形約為29 mm；底板隆起變形最大，約為13 mm，拱頂下沉變形約為26 mm。總體來看，隧洞開挖后圍巖向洞內收斂變形，但變形量值不大，最大變形為拱頂下沉。

從Ⅲ類圍巖隧洞開挖后應力場、變形特征和塑性區分布特征可以推斷：

(1)Ⅲ類圍巖巖體完整性和力學性能較好，開挖卸荷將引起隧洞拱頂和底板中部局部區域拉應力集中，同時拉應力量值較小，并不會引起圍巖的拉裂破壞，無塑性區分布；但是，需要注意的是：現場爆破振動造成淺部圍巖破碎，在拉應力作用下產生局部掉塊現象。

(2)邊墻位置的圍巖處于三向受壓的壓應力集中作用，較大的壓應力作用使得淺部圍巖產生塑性破壞，但塑性區范圍較小，最大深度僅約4.5 m，產生的收斂變形也非常有限，僅為29 mm。

(3)總體來看，對于Ⅲ類圍巖區域，隧洞開挖后整體穩定性較好，不會產生較大的收斂變形或塑性破壞，但要警惕拱頂圍巖在節理切割和施工擾動作用下出現的局部掉塊造成人員和機具損傷。

2.3.2 Ⅳ類圍巖穩定性分析

與Ⅲ類圍巖不同，Ⅳ類圍巖分布區域隧洞埋深較大，上覆壓力亦較大。同時，Ⅳ類圍巖力學性能更差，巖體完整性更差，Ⅳ類圍巖開挖斷面尺寸也更大，從而造成圍巖穩定性較Ⅲ類圍巖差得多。初步的數值分析結果表明：在此情況下，圍巖已經產生持續的塑性變形，圍巖已經失穩破壞。為此，采用基于強度折減法的數值分析，在既有工況下，通過不斷折減圍巖黏聚力和內摩擦角，直至計算收斂的臨界狀態，得到穩定性系數。

通過強度折減計算， Ⅳ類圍巖在大埋深下的穩定性系數fs=0.96。

所獲取的應力場特征為：隧洞輪廓淺層巖體出現拉應力，拉應力區較Ⅲ類圍巖大，但是并沒有出現三向受拉作用區；邊墻深部圍巖出現較大的壓應力集中區域，最大拉應力僅為0.07 MPa。在隧洞開挖輪廓淺部的圍巖，其最大壓應力為45 MPa。

所獲取的最大變形特征為：與Ⅲ類圍巖類似，最大水平變形位置位于邊墻中部至拱肩區域，但變形量顯著增大，兩側邊墻圍巖向隧洞內的收斂變形達到1.2 m；底板隆起變形最大約為0.19 m，拱頂下沉變形則達到0.85 m。總體來看：隧洞開挖后圍巖向洞內收斂變形且變形量值較大，最大變形依然為拱頂下沉。

從Ⅳ類圍巖隧洞開挖后的應力場、變形特征和塑性區分布特征可以推斷：

(1)Ⅳ類圍巖巖體完整性和力學性能相對較差，且隧洞埋深普遍較大，圍巖壓力亦相應更大，開挖卸荷將引起隧洞拱頂和底板中部局部區域的拉應力集中，但并沒有三向拉應力集中區。由于圍巖收斂變形量大，加上圍巖完整性較差，施工爆破擾動作用下降，將會出現局部甚至整體垮塌破壞。

(2)邊墻位置的圍巖處于三向受壓的壓應力集中作用，較大的壓應力作用使得淺部圍巖產生顯著的塑性破壞，塑性區自拱肩和底腳向邊界貫通，產生的收斂變形較大，臨界狀態下兩側邊墻的最大收斂變形達到1.2 m。

(3)總體來看，在最大上覆壓力工況下，由于Ⅳ類圍巖隧洞埋深普遍較大，圍巖壓力大且圍巖完整性相對較差，隧洞開挖后整體穩定性較差，穩定性系數為0.96，塑性破壞范圍顯著擴大并貫通失穩。非最不利工況下，圍巖整體問題需要警惕拱頂圍巖在節理切割和施工擾動作用下出現的局部掉塊甚至塌方風險，同時要關注邊墻持續、較大的收斂變形。

2.3.3 Ⅴ類圍巖穩定性分析

與Ⅳ類圍巖相比，Ⅴ類圍巖的力學性能更差，巖體開挖后圍巖的穩定性更差。但是，相對來說，Ⅴ類圍巖所在區域隧道埋深普遍較小。根據對全線Ⅴ類圍巖區隧道埋深情況進行的分析，取最大埋深300 m處典型斷面開展了穩定性分析。

所獲取的應力場特征為：隧洞輪廓淺層巖體出現拉應力，拉應力區與Ⅳ類圍巖類似，同樣并沒有出現三向受拉作用區；邊墻圍巖出現較大的壓應力集中區域，圍巖應力場分布特征與Ⅳ類圍巖臨界狀態應力場相似。

所獲取的最大變形特征為：最大水平變形位置位于邊墻中部至拱肩區域，但變形量顯著增大，兩側邊墻圍巖向隧洞內的收斂變形超過1.3 m；底板隆起變形值最大約為0.18 m，較Ⅳ類圍巖小，拱頂下沉變形則達到0.9 m，較Ⅳ類圍巖大。總體來看，隧洞開挖后圍巖向洞內產生收斂變形。

同樣，Ⅴ類圍巖典型斷面初步數值分析結果表明：在300 m埋深情況下，圍巖已經產生持續的塑性變形，已經失穩破壞。同樣，采用基于強度折減法的數值分析，在既有工況下，通過不斷折減圍巖黏聚力和內摩擦角，直至計算收斂的臨界狀態，即可得到穩定性系數。

通過強度折減計算， Ⅴ類圍巖在較淺埋深(300 m)下的穩定性系數fs=0.89。

從Ⅴ類圍巖開挖后圍巖最大和最小主應力云圖可以看出：隧洞輪廓淺層巖體出現拉應力，拉應力區與Ⅳ類圍巖類似，同樣并沒有出現三向受拉作用區；邊墻圍巖出現了較大的壓應力集中區域，圍巖應力場分布特征與Ⅳ類圍巖臨界狀態應力場相似。

從Ⅴ類圍巖隧洞開挖后應力場、變形特征和塑性區分布特征可以推斷：

(1)Ⅴ類圍巖巖體完整性和力學性能差，雖然其總體埋深較小，但在開挖卸荷下已經出現明顯的塑性失穩，將引起隧洞拱頂、邊墻、底板淺層張拉破壞，深部壓剪破壞；圍巖收斂變形量大，達到米級，加上圍巖完整性較差，施工爆破擾動作用下將出現明顯的垮塌破壞。

(2)對于頂板圍巖較大的下沉變形，應特別注意圍巖的穩定性特征，在重力作用下，極易出現掉塊、局部垮塌甚至貫通性失穩破壞，因此，應加強初期支護強度并在開挖后及時支護。對于底板圍巖上拱變形，一方面，其變形量值顯著小于頂板圍巖下沉量；另一方面，施工過程中其底板在機械設備和運輸車輛的反復碾壓下，考慮一定的施工荷載，也有利于減小圍巖的上拱變形，且底板圍巖的變形并不會引起工程災害。因此，只要保證不影響永久支護結構的施工，可以不必對其進行處置。

(3)總體來看，雖然Ⅴ類圍巖隧洞埋深普遍較小，圍巖壓力較小，但是，由于圍巖完整性極差，隧洞開挖后整體穩定性差，埋深300 m處的穩定性系數為0.86，塑性破壞范圍顯著擴大并貫通失穩。進一步考慮現場圍巖碎裂化特征的實際情況，加上局部地下水軟化作用，可以判斷：在這些非最不利工況組合下，圍巖的穩定性將會更差，在較小的埋深情況下，圍巖即產生較大的塑性不收斂變形，甚至是整體失穩破壞。

3 隧洞圍巖初期支護效果分析

3.1 初期支護效果分析

根據前期隧洞支護設計資料，不同類別圍巖采取的支護措施方案見表4。

表4 支護襯砌參數對比表

3.2 支護模型的建立

采用Midas-GTS有限元軟件開展圍巖支護效果模擬研究。Midas-GTS是一款成熟的大型通用有限元分析軟件，可以方便地模擬巖土介質及其工程結構措施，分析不同介質的協同工作及受力變形特征。考慮到隧洞開挖后淺層圍巖受擾動、力學性能的弱化作用，將現場試驗獲得的圍巖彈性模量作為開挖后松動圈圍巖的力學參數，將其余力學參數相應折減弱化。根據前面對圍巖開挖穩定性的模擬結果，綜合取圍巖淺層3 m范圍為松動圈，亦即淺層3 m巖體采用松動圈圍巖參數，深部圍巖依然采用原狀巖體力學參數。

開挖后的巖體物理力學特征見表5，其余隧洞幾何尺寸及應力環境參數依然采用表2和表 3所示的數據，建立有限元網格模型，施加相應的豎向和水平應力，并且根據表4所示采用的隧洞支護措施，通過結構單元模擬初期支護措施中的錨桿和鋼支撐，計算并分析在初期支護作用下圍巖的應力場和變形場特征。

表5 開挖后的巖體物理力學參數表

3.3 Ⅳ類圍巖支護效果分析

作為對比，選取與未支護圍巖穩定性分析相同的Ⅳ類圍巖模型，即實際工程現場Ⅳ類圍巖中埋深最大處斷面，在隧洞開挖后施加錨桿、噴射混凝土層和鋼拱架三種主要的初期支護措施。其中，噴射混凝土層的模擬是將掛網考慮在內，采用C25混凝土與掛網綜合參數，用C30混凝土代替，并計算初支作用下圍巖的應力和變形特征，進而對初期支護效果進行評價。

根據實際施工過程，待圍巖開挖后應力調整之后施加初期支護結構。Ⅳ類圍巖初期支護模型參數見表6。

表6 Ⅳ類圍巖初期支護模型參數表

在此過程中，圍巖應力分兩階段釋放，分別為開挖后未支護階段和初期支護階段。結合實際施工情況，Ⅳ類圍巖開挖后第一階段應力釋放系數為0.3，第二階段為0.35。原本不穩定的Ⅳ類圍巖大埋深典型斷面在由錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等聯合初支作用下，考慮實際開挖過程中圍巖應力的兩階段釋放過程，圍巖整體達到穩定。

所獲取的Ⅳ類圍巖埋深最大位置處隧洞施加初期支護后的應力場特征為：(1)支護后圍巖未出現雙向受拉區域，隧洞開挖輪廓淺部圍巖應力顯著減小，最大壓應力值在3.7～37 MPa之間，淺部圍巖豎向應力普遍較小，圍巖深部區域原巖應力受較大雙向受壓狀態，初期支護作用后圍巖應力分布較均勻，高應力位置主要集中在拱腳等局部區域；(2)錨桿及鋼拱架對圍巖應力調整作用顯著，淺部圍巖應力趨于均勻且量值顯著減小，更有利于圍巖的穩定性。

獲取的圍巖變形及塑性區分布特征為：與未支護情況下對比，總體來看，圍巖變形量顯著減小，水平最大變形出現在拱腰附近，最大約為55 mm，兩側向洞內收斂變形；豎向最大變形出現在拱頂，下沉量約為45 mm，底板上拱最大約為37 mm。由于圍巖變形量較大，導致錨桿和鋼拱架均產生較大的變形，表現為錨桿隨圍巖向洞內的收斂變形，而鋼拱架變形主要在拱腰附近被壓屈變形，錨桿最大變形量約為42 mm，鋼拱架最大變形約為50 mm，變形量值均較小。

從Ⅳ類圍巖隧洞開挖并施加初期支護措施后的圍巖應力場、變形特征和塑性區分布特征以及錨桿和鋼拱架變形特征可以推斷：

(1)Ⅳ類圍巖最大埋深較大，圍巖應力較大，開挖后施加初期支護措施后，有效提高了圍巖的穩定性，使圍巖應力的分布更趨于均勻，圍巖淺部無雙向受拉區，且受壓應力較小。

(2)由于圍巖應力的調整，作用在初期支護結構上的壓力較大，使錨桿和鋼拱架產生變形，且變形主要集中在拱腰附近區域。為此，初期支護施做后，應密切關注鋼拱架的變形，尤其是拱腰處鋼拱架的壓屈，在埋深較大、地下水發育，或者受明顯偏壓的洞段，應進一步考慮加密鋼拱架、減小鋼拱架支護的間距。

(3)開挖后的圍巖應力調整是一個漸進的過程，對于自穩能力較好的巖體，可以充分發揮圍巖的自穩能力，提高第一階段的應力釋放率，減小作用在初支結構上的圍巖壓力；對于自穩能力差的巖體，則應盡快完成初期支護，保證圍巖整體的穩定性。

總體來看，在最大上覆壓力工況下，由于Ⅳ類圍巖隧洞埋深普遍較大，圍巖壓力大，使得原本不穩定的隧洞在初支作用下整體保持穩定。考慮到圍巖應力作用在初支上的時間效應，在施工的短期內可以保證圍巖的整體穩定。但是，需要密切監控鋼拱架的變形狀態及速率，避免出現壓屈破壞，并在產生較大變形前施做完成永久襯砌，如此實施：可以充分發揮圍巖的自穩能力，保證圍巖的長期穩定性。

3.4 Ⅴ類圍巖支護效果分析

同樣，選取與未支護圍巖穩定性分析相同的Ⅴ類圍巖模型，即實際工程現場Ⅴ類圍巖中埋深最大處斷面，在隧洞開挖后施加錨桿、噴射混凝土層和鋼拱架三種主要的初期支護措施[4](表7)。其中，噴射混凝土層的模擬是將掛網考慮在內，采用C25混凝土與掛網綜合參數，用C30混凝土代替并計算初支作用下圍巖的應力和變形特征，進而對初期支護效果進行評價。

表7 Ⅴ類圍巖初期支護模型參數表

考慮到隧址區廣泛分布的軟弱、碎裂狀炭質板巖，開挖后圍巖自穩能力極差，因此，模擬過程中，將巖體開挖后第一階段的圍巖應力釋放率取為0.1，初期支護作用后的應力釋放率取為0.3，故其后期永久支護還應承擔余下0.6的圍壓壓力。

所獲取的Ⅴ類圍巖埋深最大位置處隧洞施加初期支護后的應力場特征為：(1)支護后圍巖應力較小，分布均勻，僅在隧洞底板和拱腰處出現很小的拉伸應力集中，而拱腳局部區域出現壓應力集中；(2)隧洞開挖輪廓淺部圍巖應力顯著減小，最大壓應力值約為9.8 MPa，除局部壓應力集中外，淺部圍巖豎向應力普遍較小(小于3 MPa)，圍巖深部區域原巖應力受較大雙向受壓，初期支護作用后圍巖應力分布較均勻。

所獲取的圍巖變形及塑性區分布特征為：(1)與未支護情況下對比，總體來看，圍巖變形量顯著減小，最大變形同樣出現在拱腰附近(最大約為30 mm)。(2)主要產生向隧洞內的收斂變形以拱腰和底板變形為主，變形較均勻，變形量值較Ⅳ類圍巖小；(3)塑性區分布方面，與Ⅳ類圍巖類似，塑性區主要分布在兩側邊墻及拱腳區域，在拱頂和底板處并未形成塑性貫通區，塑性區最大范圍約為hp=3.8 m，較Ⅳ類圍巖小。

從Ⅴ類圍巖隧洞開挖并施加初期支護措施后的圍巖應力場、變形特征和塑性區分布特征以及錨桿和鋼拱架變形特征可以推斷：

(1)Ⅴ類圍巖埋深普遍較小，圍巖應力較小，兩階段圍巖應力釋放率較小，施加初期支護措施后，大大提高了圍巖的穩定性，使圍巖應力分布更趨于均勻，圍巖拱腰附近淺部出現拉應力集中，拱腳淺部出現壓應力集中，總體圍巖應力量值較小，整體穩定性好。

(2)相對于Ⅳ類圍巖，作用在初期支護結構上的壓力較小，錨桿和鋼拱架產生的變形量小得多，尤其是鋼拱架，最大變形僅為Ⅳ類圍巖的60%左右。因此，對于Ⅴ類圍巖，初期支護作用效果較好，但在永久性襯砌未完成前仍應密切關注鋼拱架變形，尤其是拱腰處的壓屈變形。

總體來看，在最大上覆壓力工況下，由于Ⅴ類圍巖隧洞埋深普遍較小，圍巖壓力較小，原本不穩定的隧洞在初支作用下穩定性顯著提高，考慮到圍巖應力作用在初支上的時間效應，在施工的短期內可以保證圍巖整體穩定。但是，需要密切監控鋼拱架的變形狀態及速率，避免出現壓屈破壞，并在產生較大變形前完成永久襯砌[5]。這樣實施：一方面可以充分發揮圍巖的自穩能力，同時能夠保證圍巖的長期穩定性。

4 結 語

隧洞開挖后圍巖約束作用減小，軟碎巖體變形參數顯著劣化，圍巖穩定性顯著降低。合理、及時的初期支護措施能夠有效提高圍巖的環向約束作用，從而提高圍巖的穩定性，對保證水工程隧洞的安全施工具有重要的意義。