滇中紅層軟巖大變形預測分級研究
——以滇中引水工程大轉彎隧洞為例

李 昱 趙 信 李克獻

（1.云南省滇中引水工程建設管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

隨著中國地下工程建設的不斷發展，隧洞建設逐漸變得更復雜。復雜的工程地質條件與力學特征使得隧洞建設更加困難，其中軟巖大變形成為國內外學者研究的主要熱點之一。例如木寨嶺公路隧洞［1］、大草山公路隧洞［2］和白石頭鐵路隧洞［3］等。軟巖大變形是指隧洞開挖后，圍巖受力條件突然變化，加之巖體本身的構造強度不足以支撐洞室，從而導致巖體的大變形。為此，需要工程在設計與建設之前對圍巖的變形進行合理的預測和評估，從而降低或規避大變形帶來的不利影響。

在對軟巖隧洞進行變形預測方面，國內外學者已提出了多種預測指標及量化方法，主要包括：基于工程實踐的經驗方法，如Singh 等［4］提出的基于埋深和Q 系統的方法、Goel 等［5］提出的基于隧洞凈寬和巖體質量N 的方法；基于半經驗半理論的方法，如Hoek 等［6］提出的基于巖體強度應力比的方法、陳衛忠等［7］提出的基于修正［BQ］值的方法。本研究以滇中引水工程楚雄段隧洞為例，通過研究滇中紅層力學特性以及模擬隧洞施工開挖后的變形規律來預測軟巖大變形等級，并提出相應的大變形分級標準。研究結果對滇中紅層隧洞軟巖大變形預測和分級具有一定的指導意義。

1 工程概況

滇中引水工程楚雄段隧洞位于云南省楚雄市，由云南滇中引水工程有限公司承建，滇中引水工程輸水線路楚雄段（萬家—羅茨）線路穿越的滇中紅層長度約為131.5 km，占該段線路全長的92%。根據地質勘探資料顯示，該地區廣泛分布著泥質頁巖、頁巖、粉砂質泥巖等泥質巖，其透水性弱，親水性強，遇水易軟化，失水易崩解，且其力學性能較差（巖石單軸飽和壓縮強度<30 MPa)；第三系沉積盆地內物質成分復雜，既有砂、泥、礫巖等地層，又有豐富的油泥、煤等有機質，多數為非膠結-泥質膠結體，表現為強度低、水穩定性差，成洞條件及承載力較差。因此，施工過程中易出現軟巖大變形，對施工安全有較大影響。

2 分級方法

2.1 軟巖大變形預測分級方法

單以“位移值（含相對變形）/破壞程度”作為分級指標，實質上是以變形的表觀現象進行分級，僅描繪了支護系統的變形能力，缺少對變形的預測，難以直接服務于工程。而以“相對變形”作為分級指標，具有很好的應用價值，可實現對擠壓變形的預測，但其缺少對“施工與支護”的描述，難以體現“人為因素”對變形的影響，致使獲取的變形分級標準大多應用于前期設計階段，而在施工階段的應用價值偏低。基于此，綜合2 個以上的分級指標應當是最優的分級標準。

2.2 滇中引水大轉彎隧洞大變形分級方法

基于國際廣泛采用的Hoek［6］方案將隧洞擠壓變形等級分為4 級，即輕微擠壓變形(1%≤ε≤2.5%)，中等擠壓變形(2.5%＜ε≤5%)，嚴重擠壓變形(5%＜ε≤10%)，極嚴重擠壓變形(ε＞10%)。以表1 中數據為基準，對軟巖大變形進行分級。

表1 滇中引水工程軟巖隧洞擠壓變形評價方法

采用國內工程巖體修正值［BQ］［8］分級系統，對地下工程巖體進行定級。根據各種類型工程的特征，將地下水狀態、初始應力狀態、工程軸線走向的指向與主要軟弱結構面產狀的組合關系等需要的校正因素考慮在內，對巖體基本質量指標BQ進行校正，并將其應用于巖體基本質量指標校正值［BQ］。

3 大變形預測分級數值模擬研究

3.1 計算模型

FLAC3D程序被廣泛應用于工程結構受力特性模擬，能夠對隧洞三維結構受力特性進行模擬，滿足建模需要。因此本研究主要基于FLAC3D程序建立三維數值模型，分析各計算工況下隧洞位移情況。滇中引水隧洞模型如圖1 所示，其為FLAC3D中截取的圍巖主體部分，整體圍巖尺寸為長×寬=44 m×48 m，共計劃分為5 900 個單元，9 117 個節點。模型邊界條件為：水平方向是左右外邊界施加橫向荷載以模擬水平應力場，豎直方向是頂部外邊界施加豎向荷載以模擬隧洞埋深［9］。

圖1 滇中引水隧洞模型

3.2 計算斷面及參數選取

軟巖隧洞圍巖變形量主要取決于巖體特性、地應力場變化。因此，在選擇計算典型斷面時，應著重考慮隧洞設計以及地質勘探資料所提供的巖性分布情況，選取各巖性中應力水平最大與最小的兩個斷面作為研究計算斷面，斷面的詳細參數見表2。在進行計算時，應依據已有的地質勘探資料，并結合類似工程等因素，選擇相應的巖土的物理力學參數，見表3。

表2 軟巖大變形預測相關計算資料

表3 滇中紅層巖土體參數取值

3.3 數值模擬計算實現方法

基于多工況計算方法，模擬不同計算斷面的參數和初始應力場下的隧洞開挖位移。通過FLAC3D重啟動功能和FISH語言程序為核心的方法［9］，計算模擬了15 個分段，其中每個分段選取最大應力水平和最小應力水平兩個斷面分別計算，共計30 種工況。計算模型開挖邊界：水平方向距離模型外邊界18 m，豎直方向距離模型外邊界20 m，具體實現步驟：①地應力平衡計算，基于STRESSBOUNDARY（S-B 法）對選定的斷面進行初始的應力場計算，得到真實的應力分布。②基于摩爾-庫倫彈塑性準則（M-C準則），賦予數值模型相應的材料參數，設置收斂條件為最大不平衡力與典型內力的比率＜10-5。

3.4 計算結果分析

運用FLAC3D程序模擬隧洞開挖，得到位移量見表4。當同一巖性時，圍巖質量越好，即[BQ]值越高，圍巖位移量越小。以泥巖、砂巖互層的較軟巖類為例，當[BQ]值為65 時，該段平均位移量為124.33 mm；當[BQ]值為222.5 時，平均位移量為65 mm。

表4 楚雄段各斷面最大位移量

DZWT2+322～3+318 最大位移量和DZWT3+770-4+090 最大位移量如圖2 和圖3 所示。由圖2和圖3 可知，各巖性及各圍巖條件下每個特征點的位移大小及相互之間的關系。對于同一巖性下，拱腳的位移最小，其次是拱腰的位移較小，然后是拱底的位移較大，最后是拱頂的位移最大。隨著圍巖條件的變好，即[BQ]值越大，圍巖位移從164.18 mm縮減到58.26 mm。

圖2 DZWT2+322～3+318最大位移量

圖3 DZWT3+770-4+090最大位移量

基于國際廣泛采用的Hoek 方案將隧洞擠壓變形等級分為4級，參照表1標準，得到大變形程度判別統計，見表5。滇中引水隧洞以中等大變形輕微大變形為主，斷裂帶有嚴重擠壓變形的可能。具體占比為“輕微”20%、“中等”70%、“嚴重”5%。由此可知，大轉彎隧洞擠壓變形以中等擠壓變形為主，其次為輕微擠壓變形，斷裂帶存在嚴重擠壓變形的可能。

表5 變形程度判別統計

4 結論

本研究針對滇中引水工程楚雄段大轉彎隧洞，結合地質勘探資料，采用兩種方法相結合的手段對大變形情況進行分級，得出以下結論。

①大轉彎隧洞主要巖性分為三類：泥質巖類為主的軟巖類，泥巖、砂巖互層的較軟巖類，砂質巖類為主的堅硬巖類。以泥質巖類為主的圍巖條件下，圍巖位移量最大，然后依次是泥巖、砂巖互層的較軟巖類和砂質巖類為主的堅硬巖類。

②滇中引水大轉彎隧洞以中等大變形輕微大變形為主，斷裂帶有嚴重擠壓變形的可能。具體占比為“輕微”20%、“中等”70%、“嚴重”5%。

③對不同變形程度下的位移情況進行統計分析，結果顯示：拱腳的位移最小，拱腰的位移較小，拱底的位移較大，拱頂的位移最大。隨著圍巖條件的變好，即[BQ]值越大，圍巖位移從164.18 mm 縮減到58.26 mm。

④以圍巖位移數據及工程地質情況為基礎，綜合位移量、[BQ]值制訂了適用于滇中引水隧洞的分級標準，實現了該隧洞圍巖大變形的預測及大變形分級標準。