輸水隧洞穿越典型斷面圍巖結構安全分析

徐文秀，沈全喜

(1.廣東省粵東三江連通建設有限公司，廣州 510013；2.桂林理工大學 地球科學學院，廣西 桂林 541004)

針對我國水資源時空分布不均勻這一難題，國內已經修建了大量的輸水工程，TBM輸水隧洞[1-5]作為輸水工程中重要的組成部分，在整個工程中有著舉足輕重的作用。由于輸水隧洞一般具有地質構造復雜、線路長、埋深大、地層巖性分布多樣等特點，施工工況極為復雜，常常作為整個項目的核心工程。TBM施工作為快速先進的隧洞掘進方式在水工隧洞開挖中的應用日漸廣泛。但TBM施工過程中，圍巖受力變形較為復雜[6-9]，有限的地質勘測數據可能與實際地層巖性并不完全一致，如果完全按照工程設計進行開挖施工，可能導致圍巖實際受力狀態超出預期，尤其當輸水隧洞穿越斷層、軟弱夾層、高地應力和高水壓等不良地質條件洞段時，經常發生圍巖大變形[10]、涌水[11]、坍塌[12]等工程災害，對生命和財產造成重大損失。圍巖的受力狀態直接關系到輸水隧洞的穩定性和耐久性以及人員和設備的安全。因此，合理地分析不同地質條件下輸水隧洞的工作狀況，對保證施工安全及輸水隧洞安全運行有著重要意義。近年來，國內外已對輸水隧洞進行了眾多研究，胡昌文等[13]采用上限有限元法，分析了深埋隧道圍巖潛在塌落形態和范圍與圍巖內摩擦角φ，剪脹角ψ和跨度(b/h)的影響關系；章誠等[14]采用ANSYS /LS-DYNA有限元軟件，分析了高地應力環境下深埋隧洞連續爆破開挖過程中圍巖應力的演化規律及影響因素；任喜平等[15]利用彈塑性非線性有限元法對不良地質段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖輸水隧洞的開挖和支護過程進行模擬分析，得到隧洞開挖和初期支護工況下圍巖塑性變形規律；李懷珍等[16]采用彈塑性滲流-應力耦合有限單元法，對某大型輸水隧洞TBM開挖過程進行模擬計算，分析了水頭壓力和開挖預留變形對圍巖、管片的受力與變形的影響；榮曉洋等[17]建立輸水隧洞斷層破碎帶三維有限元數值模型，分析了輸水隧洞施工階段圍巖的力學效應，發現在斷層破碎帶拱腳及其邊墻處存在高剪應力區，導致位移大幅增加，使得初期支護的內力提高約1.2～1.3倍；喻偉等[18]采用彈塑性模型,根據剛度折減法建立三維有限元模型,分析斷層對隧道穩定性的影響,并將模擬結果與現場監測結果進行對比分析,驗證了數值分析的正確性；Cao,JT等[19]建立三維物理相似模型，揭示了平硐段支護圍巖的演化特征，將圍巖變形和裂隙擴展分為四個階段，分析了圍巖應變和管片應力在四個階段的變化規律；Zhou,H等[20]利用FLAC3D建立水-力耦合模型，監測施工期間隧道圍巖不同方向的位移和孔隙壓力，并確定開挖對變形和孔隙壓力的影響深度;Kim,D[21]采用考慮大變形的耦合歐拉-拉格朗日(CEL)方法和小應變自動重劃方法來研究隧道的開挖影響,發現兩種方法對隧洞周圍開挖破壞區的分析在大小和趨勢上是一致的，對于較硬的巖石，隧道周圍開挖破壞區往往更大，并且其大小與隧洞直徑成正比，而與隧洞的深度成反比。上述研究主要針對某一特定地層巖性進行分析，而對實際開挖過程中地質構造和地層巖性以及地應力、內水壓力、滲流場的變化對輸水隧洞圍巖安全的影響仍需開展研究。

本文針對復雜地層巖性和斷裂帶深埋輸水隧洞在施工和充水運營過程中圍巖變形受力，綜合考慮開挖過程中地應力和滲流場的變化，采用三維彈塑性有限元法模擬不同地層巖性各個工況下圍巖的受力與變形特征，對輸水隧洞施工和運營過程中圍巖的安全狀態進行評估與計算，為輸水隧洞的開挖施工和支護設計提供理論指導。

1 工程概況

榕江關埠引水工程作為榕江和練江水系的連通紐帶，主要任務是針對練江、榕江水環境現狀，優化水資源配置，修復水生態，解決練江等河流生態用水問題。本工程由取水口、引水隧洞、加壓泵站、高位水池、輸水隧洞、出水池、輸水明渠和涵管、出口防洪閘等建筑物組成。工程輸水線路總長為35.266 km，其中引水盾構管道長約為3.845 km，輸水隧洞長約27.709 km，輸水渠總長約3.326 km。引水盾構管道及輸水隧洞均采用有壓重力流的輸水方式引水流量為20 m3/s，輸水線路采用TBM法為主、鉆爆法為輔的施工方法，對TBM法施工段的進、出口150～884 m范圍先行采用鉆爆法施工，剩余主洞段采用TBM法施工。輸水隧洞山體地層巖性主要為燕山2期中粗粒黑云母花崗巖，偶見細粒花崗巖及輝長巖脈。山坡地表大部分為坡積層及全風化土，屬弱～中等透水層，溝底為沖洪積層，透水性差異較大，屬中等～強透水層。隧洞段地下水位隨地形起伏變化，在山脊處，地下水位一般較深，埋深約在15～20 m，在沖溝處，地下水位較淺，埋深約1～3 m。地下水以坡洪積層及全風化帶孔隙水為主。工程區內規模較大的斷層共發育14條，寬在1～5 m 不等，兩側斷層影響帶寬約10～50 m不等，與隧洞夾角多為30°～70°，斷層帶主要發育糜棱巖斷層泥、壓碎巖、角礫巖、石英等，斷層帶內偶夾弱風化巖裂隙密集破碎帶。

2 巖土介質滲流-應力耦合理論

在傳統的流固耦合模擬分析中[22-23]，孔隙率和滲透系數是保持不變的，而在實際滲流過程中，由于孔隙流體的壓力變化，一方面要引起介質有效應力的變化，由此導致滲透系數和孔隙率的變化；另一方面，這些變化又會反過來影響孔隙流體的流動和壓力的分布。因此有必要考慮孔隙流體在巖土體介質中的流動規律及對巖土體介質本身的變形或者強度造成的影響，即需考慮巖土體介質應力場與滲流場之間的相互耦合作用。

2.1 滲流基本方程

假設巖土體在水力學特性上為連續介質，地下水對圍巖和襯砌結構的作用力可用分布在圍巖和襯砌上的場力表示，即滲流力。假設水體不可壓縮，在巖體中的滲流符合Darcy定律。

根據Darcy定律，在巖體中水流流速可以表示為：

(1)

式中：

φ——固體孔隙率；

ρw——水的密度；

t——時間；

υi——流速矢量。

根據流體流動的動量方程可得Darcy定律：

a 地層開挖前

(2)

式中：

x、y、z——3個滲透主方向；

kx、ky、kz——3個滲透主方向上的滲透系數；

p——孔隙水壓力。

加上固體骨架的變形項，經過推導可得：

(3)

式中：

α、Q——Biot系數；

t——時間；

ευ——固體的體積應變。

上式即為多孔介質滲流基本方程的最后形式。方程右邊的兩項分別表示由于應變和流體壓力變化所引起的流體體積變化，方程左邊代表由壓力梯度和重力作用而引起的流體體積變化。

2.2 滲流—應力耦合方程組

根據上述滲流基本方程,結合力學平衡方程，采用Biot固結理論可得到滲流—應力耦合方程組。Biot理論是以有效應力為基礎，考慮力學平衡方程和滲流基本方程的耦合，對于三維問題，單元節點有4個自由度存在，即3個位移自由度和1個孔隙水壓力自由度。以下為4自由度耦合控制方程：

(4)

式中：

前三項——力學平衡方程;

u、υ、w——3個主方向上的位移分量;

λ、G——拉梅系數;

?2——拉普拉斯算子;

γ——土顆粒的容重。

偏微分方程組完整地定義了滲流場—應力場全耦合作用的數學模型，施加一定的邊界條件和初始條件，即可求解上述耦合控制方程組，得到結點位移和水壓。

3 有限元模型

3.1 計算模型

以斷層和最大埋深段圍巖為研究重點，建立典型區域三維地質模型，對隧洞圍巖的受力狀態和位移量進行細化研究。根據精度的要求，計算范圍需大于3倍開挖洞徑，故模型尺寸取30 m×30 m×60 m，隧洞位于模型中間。隧洞圍巖特性按地層性質不同，采用彈塑性模型的不同參數，巖土體采用Mohr-Coulomb屈服準則。圖1為隧洞穿越地區的地層網格計算模型，模型側面與底面施加法向約束邊界，施工期不設定內水壓力，運營期施加內水壓力。

3.2 初始應力場、滲流場分析

初始地應力場和滲流場是進行洞室開挖后圍巖穩定計算分析的基礎，分別對斷層和最大埋深段圍巖初始地應力和滲流分布情況進行研究。采用ABAQUS/standard通用分析模塊中提供的流體滲流/應力耦合(Coupled pore fluid flow and stress analysis)本構模型進行分析計算,依據榕江輸水隧洞地質勘察資料和相關參考資料確定圍巖參數(見表 1)。

表1 TBM隧洞圍巖物理力學參數建議值

按照表1賦予巖體基本物理力學參數，得到計算區域的初始地應力場和滲流場。圖2、圖3分別為最大埋深和斷層處初始地應力和滲流場等值線圖，可以看出，隧洞最大埋深處地應力為1.057～1.342 MPa，斷層處為0.440～0.680 MPa，隧洞最大埋深處孔隙水壓力范圍在0.240～0.260 MPa；隧洞斷層處孔隙水壓力范圍在0.180～0.200 MPa，各截面初始地應力基本符合實際，也反映出了山體特征。

a 工況1

a 最大埋深處

a 最大埋深處

在模擬隧洞掘進過程時，采用單元生死功能實現隧洞的開挖模擬，圍巖選用摩爾—庫倫彈塑性模型模擬其屈服狀態。根據實際計算分析的要求，主要考慮施工與充水運營兩種工況，擬定以下4種工況，計算工況及荷載組合見表2。

表2 計算工況

4 隧洞結構安全分析

4.1 圍巖位移

隧洞開挖后由于初始地應力場的改變以及內水壓力作用，圍巖在四種工況下產生不同的變形量，從表3和圖4可以發現：工況1中，隧洞穿越斷層時，拱頂向下沉降量1.801 mm，拱底向上抬升量為2.110 mm；工況2中，在內水壓力作用下隧洞拱頂向下沉降量、拱底向上抬升量均有所減小。工況3中，當隧洞穿越最大埋深段時，拱頂向下沉降量為1.803 mm，與工況1拱頂沉降量相對差值僅為0.11%，而拱底向上抬升量為1.450 mm，小于工況1斷層處的抬升量，相對差值達到31.28%；在工況4內水壓力作用下，隧洞拱頂和拱底的變形量與工況2表現基本一致，均小于隧洞施工時的變形量。

表3 圍巖位移

由圖4可見，隧洞周邊圍巖水平位移的總體趨勢為使隧洞徑向收斂，但位移量小。就圍巖豎向位移而言，充水運營工況略小于施工工況，其原因可能是由于充水運營工況下隧洞內水壓力所致。斷層段拱頂最大沉降量小于最大埋深段，其原因可能是由于地應力所致。

4.2 圍巖塑性區

由圖5a可知，斷層處圍巖在隧洞開挖完成后，隧洞兩側塑性區深度為2.920 m，圍巖處于不穩定狀態，需要采取加固措施防止圍巖坍落；由圖5b可知，最大埋深處圍巖在隧洞開挖完成后，隧洞頂拱塑性區深度為8.627 mm，該處地層巖性較好，圍巖仍處于穩定狀態。

a 工況1

4.3 圍巖主應力

圖6、圖7分別是工況1和工況2圍巖最大主應力和最小主應力分布云圖。隧洞開挖后，由洞周圍巖最大主應力云圖(圖6a)可知，開挖后圍巖仍全為受壓區，由洞周圍巖最小主應力云圖(圖6b)可以看出，壓應力最大值為7.987 MPa。充水運營后，在內水壓力影響下，圍巖最大壓應力變化不大，由洞周圍巖最小主應力云圖可以看出(圖7b)，壓應力最大值為7.985 MPa。兩種工況下圍巖壓應力最大值均大于Ⅴ類巖體抗壓強度5.000 MPa。

a 工況1圍巖最大主應力云圖

a 工況2圍巖最大主應力云圖

圖8和圖9分別是工況3和工況4圍巖最大主應力和最小主應力分布云圖。隧洞開挖后，由洞周圍巖最大主應力云圖(圖8a)可知，圍巖整體為受壓狀態，由洞周圍巖最小主應力云圖可以看出，圍巖壓應力最大值為6.510 MPa(圖8b)。充水運營后，從圖9a可以發現圍巖整體依舊為受壓狀態，由洞周圍巖最小主應力云圖可以看出(圖9b)，在內水壓力影響下，壓應力最大值為6.426 MPa。兩種工況下圍巖壓應力最大值均小于Ⅲ類巖體抗壓強度40.000 MPa。

a 工況3圍巖最大主應力云圖

a 工況4圍巖最大主應力云圖

5 結語

本文根據某生態引水工程，選取輸水隧洞斷層處和最大埋深處，結合初始地應力和孔隙水壓力分布條件，采用ANSYS建立典型斷面有限元模型，探討了隧洞結構在施工和內水壓力作用下圍巖應力、位移的變化規律，由此得出以下結論。

1) 通過三維地質模型分析，初始地應力和孔隙水壓力的分布均隨著埋深的增加也逐漸增大。在最大埋深處隧洞位置初始地應力最大達到1.342 MPa，孔隙水壓力最大達到0.260 MPa，斷層處隧洞位置初始地應力最大達到0.680 MPa，孔隙水壓力最大達到0.200 MPa。

2) 隧洞施工和運營期間的圍巖變形主要表現為拱頂向下沉降，拱底向上抬升。施工工況中，斷層處和最大埋深處拱頂向下沉降量基本接近，分別為1.801mm、1.803mm；而拱底向上抬升量在斷層和最大埋深處差距相對較大，分別為2.110mm、1.450mm。充水運營工況中，由于內水壓力作用，圍巖拱頂和拱底的豎向位移相較于施工工況均有所減小，但差值較小。

3) 由于斷層處地質構造復雜，巖體力學性能較差，在開挖后引起隧洞周邊較大范圍巖體發生位移，對施工期隧洞圍巖變形與塑性區發展有很大影響，圍巖塑性區主要發展在隧洞兩側，深度為2.920 m，該深度大于0.2倍開挖洞徑，隧洞處于不穩定狀態，為確保施工安全，建議在開挖前做好超前支護，提高圍巖穩定性。最大埋深處地層巖性較好，巖體較穩定，隧洞開挖完成后，圍巖塑性區發展區域主要在拱頂和拱低，深度為8.627 mm。

4) 圍巖開挖施工和充水運營工況下，圍巖均處于受壓狀態。施工工況下，斷層處圍巖最大壓應力為7.987 MPa，埋深最大處圍巖最大壓應力為6.510 MPa，充水運營工況下，受內水壓力作用，斷層和埋深最大處圍巖最大壓應力均有所降低，分別為7.985 MPa、6.426 MPa。根據地質資料，斷層處圍巖最大壓應力超過了Ⅴ類巖體抗壓強度5.000 MPa，施工過程中，由于斷層巖體力學性能較差，幾乎不能承受拉應力的作用，難以適用錨桿加固，因此需要采取支撐和襯砌措施，以提高圍巖性能，防止圍巖的塌落。