基于強(qiáng)度應(yīng)力比的滇中紅層軟巖擠壓變形研究

米 健，沐 紅 元，李 建 國(guó)

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

滇中紅層是指主要分布于云南滇中地區(qū)，形成于晚三疊世至古近世，通常由一套砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，夾有泥灰?guī)r和礫巖，外觀以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑沉積地層[1-2]。滇中紅層軟巖由于其獨(dú)特的工程地質(zhì)特性以及分布廣泛性而備受工程界的關(guān)注。張翔、何盛、朱俊杰等[3-5]研究表明：滇中紅層軟巖的流變效應(yīng)明顯，其長(zhǎng)期強(qiáng)度一般為峰值強(qiáng)度的70%；與直剪試驗(yàn)相比，其長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角降低20%，凝聚力降低60%。

軟巖擠壓變形是深埋或高應(yīng)力隧洞工程建設(shè)過(guò)程中的一大難題。軟巖擠壓變形發(fā)生的地質(zhì)條件主要是巖性和應(yīng)力條件[6]。軟巖賦存于高應(yīng)力環(huán)境下，極易導(dǎo)致擠壓變形程度大、擠壓變形釋放時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[7]，例如：奧地利的Tanern隧道和Arlberg隧道、日本的EnasenⅡ號(hào)線(xiàn)、中國(guó)的家竹箐隧道、烏鞘嶺隧道、襄渝二線(xiàn)新蜀河隧道[8]和蘭渝鐵路木寨嶺隧道[9]等在開(kāi)挖過(guò)程中均出現(xiàn)了軟巖擠壓變形，這些隧道埋深均在400 m以上，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比0.05～0.33，隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的變形量一般為50～80 cm，最大變形量達(dá)240 cm，收斂時(shí)間達(dá)100～400 d；而國(guó)外的櫻內(nèi)隧道、索沙卡隧道、英比科隧道等，埋深僅110～180 m，也發(fā)生了不同程度的軟巖擠壓變形。故軟巖擠壓變形問(wèn)題往往成為工程建設(shè)中的“瓶頸”，制約工程建設(shè)工期、影響正常使用、造成成本飆升。

軟巖擠壓變形程度分級(jí)既評(píng)價(jià)了問(wèn)題的嚴(yán)重程度，也反映了問(wèn)題的發(fā)展階段，科學(xué)評(píng)價(jià)軟巖擠壓變形程度并分級(jí)具有重要的工程實(shí)際價(jià)值。由于軟巖類(lèi)型眾多，特性千差萬(wàn)別，隧洞在不同條件下開(kāi)挖后所表現(xiàn)出的擠壓變形程度各異。本文根據(jù)滇中紅層軟巖的流變特性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的軟巖擠壓變形程度分級(jí)方法，提出滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)數(shù)值模擬分析驗(yàn)證其有效性。

1 工程概況

滇中引水工程一引水隧洞位于云南省玉溪市境內(nèi)。隧洞全長(zhǎng)14.6 km，設(shè)計(jì)流量20 m3/s，橫截面等效圓半徑為2.6 m，最大埋深470 m。隧洞沿線(xiàn)分布的T3y頁(yè)巖夾粉砂巖及J1f、J2z泥巖等滇中紅層軟巖累計(jì)長(zhǎng)為9.9 km，占隧洞全長(zhǎng)的68%。

隧洞出口距離全新世活動(dòng)斷裂僅0.6 km，工程區(qū)50 a超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差-較差。

2 滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級(jí)方法

現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級(jí)評(píng)價(jià)方法分為應(yīng)力法和變形法，如表1所列。

應(yīng)力法大部分采用巖體強(qiáng)度和最大主應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，隧洞圍巖產(chǎn)生擠壓變形的強(qiáng)度應(yīng)力比界限值為0.45～2.00，取值差異較大；變形法則主要采用圍巖應(yīng)變指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，隧洞圍巖產(chǎn)生擠壓變形的應(yīng)變界限值為1。

表1 現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級(jí)方法匯總Tab.1 Summary of existing classification methods for extrusion deformation of soft rock

2.2 軟巖擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

軟巖擠壓變形產(chǎn)生機(jī)制是隧洞開(kāi)挖形成的應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖強(qiáng)度而發(fā)生塑性化。因此，當(dāng)隧洞圍巖的地應(yīng)力水平大于軟化臨界荷載時(shí)，圍巖將表現(xiàn)出軟巖的擠壓變形特性。隧洞圍巖的地應(yīng)力水平一般取地應(yīng)力的最大主應(yīng)力σ1，軟化臨界荷載用σcs表示，當(dāng)σcs/σ1<1 時(shí)，隧洞圍巖將發(fā)生擠壓變形。

軟化臨界荷載計(jì)算公式如式(1)：

σcs=K×Rc

(1)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度比值。

根據(jù)水利水電工程規(guī)范[15-16]，軟巖擠壓變形可用強(qiáng)度應(yīng)力比S通過(guò)式(2)判定：

S=Rc/σ1

(2)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa，為了工程安全，一般取巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rb)；σ1為最大主應(yīng)力，MPa。

由式(1)可知，K=σcs/Rc，當(dāng)S<1/K時(shí)，隧洞圍巖可能發(fā)生軟巖擠壓變形。根據(jù)滇中紅層軟巖的流變?cè)囼?yàn)成果，其長(zhǎng)期強(qiáng)度一般是峰值強(qiáng)度的70%，考慮到試樣擾動(dòng)等因素，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)修正后K取0.87，因而1/K為1.15。因此，當(dāng)S<1.15時(shí)，隧洞圍巖可能發(fā)生軟巖擠壓變形。

根據(jù)滇中紅層軟巖的流變特性及現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級(jí)方法，提出滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所列。

表2 滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification standard for extrusion deformation of soft rock in the red stratum of mid-Yunnan area

3 地應(yīng)力確定

根據(jù)隧洞區(qū)地應(yīng)力測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表3)，隧洞區(qū)100～200 m段、200～350 m段以及100～350 m段最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)平均值分別為1.17，1.41和1.33，說(shuō)明隧洞區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力場(chǎng)中的主要影響因素。考慮到淺部地應(yīng)力對(duì)隧洞影響較小，隧洞區(qū)水平主應(yīng)力可取σH=1.4σz、σh=1.0σz。

依據(jù)壓裂縫方向的印模結(jié)果，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹35°W～N75°W。

表3 隧洞區(qū)水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of side pressure coefficient of horizontal stress in tunnel project region

4 軟巖擠壓變形程度分級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)該引水隧洞圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比，計(jì)算出各地層各擠壓變形程度界限深度，詳見(jiàn)表4。由表4可知：該引水隧洞中T3y、J1f、J2z地層可能出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)D壓變形的界限深度分別為914.3，457.1 m和342.9 m。

根據(jù)表4的計(jì)算成果，對(duì)引水隧洞沿線(xiàn)的滇中紅層軟巖分布洞段進(jìn)行擠壓變形程度預(yù)測(cè)，詳見(jiàn)表5。由表5可知：① 隧洞有8.85 km長(zhǎng)洞段將發(fā)生軟巖擠壓變形，占隧洞全長(zhǎng)的60.6%，占滇中紅層軟巖分布洞段累計(jì)長(zhǎng)度的89.4%；② 隧洞中軟巖擠壓變形程度為輕微、中等及嚴(yán)重，累計(jì)長(zhǎng)度分別為5.47，2.05 km和1.33 km，分別占隧洞全長(zhǎng)的37.5%，14.0%，9.1%，分別占滇中紅層軟巖分布洞段累計(jì)長(zhǎng)度的55.3%，20.7%，13.4%，擠壓變形程度總體以輕微-中等為主，最大埋深洞段為嚴(yán)重?cái)D壓變形。

表4 各地層擠壓變形程度界限深度Tab.4 Limit depth of different extrusion deformation of different stratum

表5 隧洞圍巖擠壓變形程度預(yù)測(cè)Tab.5 Prediction of extrusion deformation of tunnel surrounding rock

5 軟巖擠壓變形數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有效性，更好地分析該引水隧洞圍巖擠壓變形特征，本文采用FLAC3D對(duì)隧洞最大埋深洞段在不加支護(hù)措施工況下的擠壓變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

5.1 模型建立及參數(shù)選取

為減小邊界效應(yīng)的影響，模型邊界距隧洞皆大于5.0倍洞徑，構(gòu)建的計(jì)算模型采用六面體單元，共劃分了62 080個(gè)單元和65 559個(gè)節(jié)點(diǎn)。

隧洞最大埋深洞段圍巖為J2z泥巖，其物理力學(xué)參數(shù)如表6所列。

表6 隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)Tab.6 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1反映了隧洞里程69+716橫截面(最大埋深)在不加支護(hù)措施工況下的總位移情況，圖2為該截面的塑性區(qū)示意圖。

圖1 里程69+716橫截面總位移圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of total displacement in the cross section of stake number 69+716

圖2 里程YH69+716橫截面塑性區(qū)圖Fig.2 Schematic diagram of plastic zone in the cross section of stake number 69+716

從圖1可以看出：隧洞的總位移等值線(xiàn)大致呈橢圓形分布，洞周出現(xiàn)了10 cm以上的位移；最大位移出現(xiàn)在隧洞頂、底部位置，且隧洞頂部的最大位移量略大于隧洞底部；隧洞頂部的最大位移量為16.7 cm，隧洞底部的最大位移量為16.6 cm，主要是由滇中紅層軟巖塑性擠出引起。從圖2可以看出：隧洞兩側(cè)壁下部及底部的塑性變形以剪切變形和拉變形為主，其他位置以剪切變形為主，塑性區(qū)分布均勻，皆在1.5倍洞徑范圍內(nèi)。

數(shù)值模擬計(jì)算得出隧洞里程YH69+716橫截面的最大位移量為16.7 cm，圍巖應(yīng)變?yōu)?.42%，屬于嚴(yán)重?cái)D壓變形。該橫截面基于強(qiáng)度應(yīng)力比的軟巖擠壓變形預(yù)測(cè)結(jié)果亦為嚴(yán)重?cái)D壓變形。根據(jù)表2的擠壓變形程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的隧洞圍巖變形量為13～26 cm，圍巖應(yīng)變?yōu)?%～10%。因此，數(shù)值模擬結(jié)果與基于強(qiáng)度應(yīng)力比的軟巖擠壓變形預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了基于強(qiáng)度應(yīng)力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預(yù)測(cè)的有效性。

6 結(jié) 論

(1) 當(dāng)隧洞圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比S<1.15時(shí)，滇中紅層軟巖隧洞將發(fā)生軟巖擠壓變形，軟巖擠壓變形程度可劃分為無(wú)擠壓、輕微、中等、嚴(yán)重、極嚴(yán)重等5級(jí)。

(2) 該引水隧洞發(fā)生軟巖擠壓變形的洞段占滇中紅層軟巖分布洞段累計(jì)長(zhǎng)度的89.4%，軟巖擠壓變形程度總體以輕微-中等為主，最大埋深洞段為嚴(yán)重?cái)D壓變形。

(3) 通過(guò)數(shù)值模擬分析，該引水隧洞最大埋深洞段將發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓變形，數(shù)值模擬結(jié)果與基于強(qiáng)度應(yīng)力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了基于強(qiáng)度應(yīng)力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預(yù)測(cè)的有效性。