滲流—應力耦合條件下隧洞圍巖變形時空演化特征分析

李維瑞

(中鐵十三局集團第五工程有限公司，四川成都 610017)

正在修建的錦屏二級水電站輔引3#支洞群穿越錦屏山主峰山體，開挖過程單點最大涌水流量1.5 m3/s，枯水期涌水穩(wěn)定流量也達到1.2 m3/s，這勢必對隧洞施工過程的圍巖穩(wěn)定造成極大影響。由于富水區(qū)大埋深、高滲壓隧洞反坡掘進具有極強的特殊性，特別是高地應力及大涌水的復雜條件，必須結合理論分析與數(shù)值計算手段，對工程區(qū)涌水區(qū)段的隧洞圍巖進行全面研究才能確保施工安全。但是，在對圍巖作穩(wěn)定性分析時發(fā)現(xiàn)計算結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)有較大出入，必須充分考慮滲流—應力耦合的因素才能獲得正確結論，這與一般條件下有很大不同。

為此，除了考慮高地應力下開挖后的圍巖損傷，同時還結合滲流—應力耦合條件及其相應影響對圍巖穩(wěn)定性進行分析。最終依據(jù)圍巖位移、應力分布、塑性區(qū)以及安全系數(shù)的綜合分析結果，指導龐大規(guī)模的隧洞群現(xiàn)場施工。

1 滲流—應力耦合條件分析

1.1 硬巖損傷及其劣化本構模型與參數(shù)變化

基于目前隧洞工程理論［1-2］，高地應力背景下硬質巖體的洞室開挖將引起圍巖二次應力場的快速調(diào)整，使得洞壁巖體發(fā)生屈服和破壞。同時，大量現(xiàn)場試驗研究結果表明，洞室開挖后的圍巖存在一個力學性質變差的破損區(qū)。且破損區(qū)內(nèi)的彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等巖體力學參數(shù)較開挖前明顯發(fā)生了改變，即開挖后圍巖一定區(qū)域內(nèi)的巖體發(fā)生了劣化。表征巖體基本力學性質的參數(shù)一般包括變形模量E、泊松比ν、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。大量理論研究和工程實踐表明［3-5］，洞室開挖后表層圍巖力學參數(shù)將發(fā)生明顯的降低，其中力學參數(shù)E，C，φ變化顯著，而泊松比變化不大。

1.2 滲流—應力耦合分析

自從Terzaghi最早研究流固耦合問題并提出有效應力公式以來，許多研究者在這一領域做了大量研究工作并取得了許多有價值的成果［6］。Terzaghi認為，巖體變形是由外部載荷對應的全應力與孔隙流體壓力的迭加值來控制的，這一迭加值即為有效應力，并提出非常簡潔的有效應力公式。有效應力原理建立了孔隙流體壓力與巖石固相骨架變形之間的聯(lián)系，不僅直接關系到巖體骨架的應變，同時表征巖體應力應變速率關系的本構張量一般也將直接依賴于有效應力。

1.3 耦合分析的基本方程

流固耦合力學是流體力學與固體力學交叉而生成的一門力學分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場的影響這二者相互作用的一門科學。流固耦合力學的重要特征是兩相介質之間的相互作用。在流體載荷作用下可變形固體會產(chǎn)生變形或運動，變形或運動又反過來影響滲流，從而改變流體載荷的分布和大小。

巖石加載或卸載變形破壞的過程，是其中微裂隙萌生、擴展、貫通的過程，使巖石的結構產(chǎn)生顯著變化。相互連通的裂隙作為新的滲流通道，將使巖石的滲透率增大，孔隙水壓力產(chǎn)生變化，孔隙水的靜水壓力、動水壓力進一步影響巖石的結構特征。巖石滲透率發(fā)生變化的根本原因在于巖石內(nèi)部細觀結構的變化，而裂隙的擴展導致孔隙水壓力大小和梯度分布不均勻，重新改變應力分布形式。而貫通裂隙之中水壓力的傳遞過程和擴容劈裂作用誘使裂紋不斷地擴展，對巖石強度和破裂模式的影響十分顯著。這就是在巖石變形破壞過程中的流固耦合效應。

2 滲流—應力耦合條件下隧洞計算模型

2.1 工程地質及斷面條件分析

輔引3#支洞上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，地處西南高地應力區(qū)。據(jù)最新的三維初始地應力場反演回歸分析成果，隧洞軸線的最大和最小主應力值分別為70.1 MPa和30.1 MPa，以自重應力為主。

輔引3#支洞長約為1 156 m，斷面尺寸10.5 m ×7.5 m，隧洞斷面及支護結構如圖1所示。工程區(qū)域圍巖主要為Ⅱ，Ⅲ級圍巖，地質條件較好，采用全斷面鉆爆法掘進施工。

圖1 輔引3#支洞開挖及支護結構(單位:cm)

2.2 計算范圍與數(shù)值模型

計算坐標:X軸與輔引3#支洞的縱軸線垂直(水平向右)，Y軸與大地坐標重合(豎直向上)，Z軸與輔引3#支洞隧洞縱軸線重合(水平向外，構成右手系)，坐標原點如圖2所示。計算范圍:左右邊界距輔引3#支洞中心40 m，底部邊界距輔引3#支洞洞室地板30 m。由于輔引3#支洞洞室埋深較大，根據(jù)洞室斷面尺寸，取頂部邊界距離坐標原點30 m，具體尺寸布置見圖2。

圖2 輔引3#支洞數(shù)值模型計算范圍(單位:m)

隧洞拱頂部位的錨桿施加相應的預應力，初期支護采用Shell殼單元模擬，并賦予相應的厚度。三維數(shù)值模型計算網(wǎng)格單元總數(shù)49 472，節(jié)點總數(shù)54 400。

2.3 初始應力及邊界條件

考慮輔引3#支洞隧洞與地應力測量中主應力平面方位與傾角的關系，根據(jù)新的地應力測試成果采用地應力反演理論進行三維初始應力場反演回歸分析，并根據(jù)地應力反演大區(qū)域下的地應力值，插值計算得到了輔引3#支洞隧洞所處區(qū)域的地應力值，見表1。

表1 地應力計算值

由于計算模型區(qū)域應力場由大區(qū)域下的地應力場插值計算而得，考慮邊界效應對計算結果精確度的影響，計算區(qū)域邊界取值超過洞室半徑的6倍左右，邊界采用位移邊界條件，四周固定位移約束。

2.4 巖體本構模型及參數(shù)

巖石力學室內(nèi)試驗結果和現(xiàn)場調(diào)研都表明輔引3#支洞隧洞地段花崗巖脆性性質十分明顯，具有明顯的峰值強度與殘余強度特征。為了更準確模擬洞群開挖后圍巖的破損區(qū)范圍，在此引入了以Sidoroff各向同性彈性損傷為基礎的硬巖損傷劣化本構模型，并將該本構模型應用于輔引3#支洞的數(shù)值分析中。根據(jù)硬巖劣化損傷本構模型以及巖石力學測試結果，得出了輔引3#支洞計算區(qū)域圍巖力學指標:彈性模量15 GPa，泊松比 0.25，內(nèi)摩擦角 40°，黏結力2 MPa，拉應力強度1.2 MPa。

3 隧洞圍巖穩(wěn)定計算及其分析

地下洞室開挖后，地下洞室圍巖位移總體趨勢表現(xiàn)為向臨空面方向移動，洞室圍巖位移分布表現(xiàn)出共同的時間和空間特征［7］?？紤]到邊界條件的影響，在此選擇模型z=－24 m的中間斷面作為位移分布的典型斷面舉行分析。

1)位移場空間分布特征

圖3為洞周邊水平位移、豎向位移以及沿軸線方向位移等值線分布特征。

圖3 洞周位移

從圖3洞周位移等值線分布可知:①總體上看，輔引3#支洞開挖后位移最大值與主應力方向一致，左右邊墻以水平位移為主，拱頂以及底板以豎向位移為主。在較大的水平構造應力的影響下，洞室圍巖產(chǎn)生了一定程度的軸線方向位移，且數(shù)值較大，對洞室結構產(chǎn)生一定的影響，這與常規(guī)條件下洞室變形有顯著的不同。②由于輔引3#支洞較高邊墻的影響，邊墻為位移最大部位，且右邊墻位移大于左邊墻位移，右邊墻最大位移點略高于左邊墻最大位移點。隧洞拱頂以及底板以豎向變形為主，底板隆起量大于拱頂?shù)南鲁亮浚夜绊?、底板的最大位移點與隧洞中線存在一定的夾角。由于洞室開挖過程中工序以及地應力方向的雙重影響，洞室左右兩部分圍巖產(chǎn)生了反方向的移動，洞室左邊墻圍巖向掌子面后方移動，右邊墻位移向掌子面前方移動，左邊墻最大位移點位于邊墻中部，右邊墻最大位移點位于拱肩部位。綜合分析洞室圍巖水平、豎直、軸線方向位移的分布規(guī)律可得，高地應力下洞室位移分布與地應力方向存在密切關系，這也是地下洞室選址軸線與最大主應力方向平行的主要原因。

2)位移場時空演化特征分析

為分析地下洞室開挖過程中，洞周位移的時空演變特性以及開挖工序對地下洞室圍巖的影響規(guī)律，在輔引3#支洞z=－24 m典型斷面周邊布置6個位移監(jiān)測點，監(jiān)測點位置以及編號如圖4所示。監(jiān)測地下洞室各開挖工序后監(jiān)測點圍巖位移，各監(jiān)測點位移變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 輔引3#支洞位移監(jiān)測點布置(單位:cm)

圖5 隧洞位移監(jiān)測點位移隨開挖步變化曲線

由輔引3#支洞周邊監(jiān)測點位移隨開挖步的變化規(guī)律分析可知:①從位移的時間特點看，洞室頂拱下沉一般在第一期開挖時最大，在以后的開挖過程中，洞室拱頂下沉一般隨開挖期逐漸增加。據(jù)D4點位移變化曲線，掌子面在監(jiān)測斷面前方時，由于洞室內(nèi)部巖體的支撐作用拱頂下沉影響較小;當掌子面穿過監(jiān)測斷面時拱頂下沉量急劇增加，掌子面遠離監(jiān)測斷面9 m之后，洞室拱頂下沉基本達到最大值，后續(xù)開挖對隧洞拱頂?shù)南鲁劣绊戄^小。②依據(jù)底板監(jiān)測點D1位移變化曲線，洞室底板位移以隆起為主，位移矢量指向洞內(nèi)，隆起量隨開挖期逐漸增加。由于開挖工作面較多，巖體應力在前期開挖的影響下得到逐步釋放，位移變化較平緩。③從監(jiān)測點D2，D6位移變化曲線看，邊墻位移以水平位移為主，位移矢量均指向洞內(nèi)。左邊墻位移在開挖期有明顯的變化，后續(xù)開挖影響較小。右邊墻位移由于多個開挖工序的影響，圍巖應力得到了逐步的釋放，位移變化趨緩。從最終圍巖水平位移來看，右邊墻由于開挖工序較多，應力釋放充分，圍巖水平位移大于左邊墻位移值。④由D3，D5監(jiān)測點位移曲線分析可得，拱肩部位移隨開挖期逐漸增加，第一期開挖對右拱肩部位位移的影響較大，一期開挖后右拱肩部位位移有顯著增加。從最終位移分析可知，右拱肩部位位移遠大于左拱肩部位。

4 結語

1)在對地下工程的圍巖變形及其穩(wěn)定分析時，必須充分結合地應力以及滲流特點，并考慮圍巖損傷后的巖體力學參數(shù)才能得到較為合理的結論。

2)錦屏工程輔引3#支洞開挖過程，地下洞室圍巖位移總體趨勢表現(xiàn)為向臨空面方向移動，具有共同的時間和空間特征，高地應力下洞室位移分布與地應力方向存在密切關系，位移矢量受地應力主應力方向影響明顯，地下洞室沿軸線方向的位移不可忽略，地下洞室選址軸線與最大主應力方向應該盡量平行。

3)由于地應力與滲流同時作用下的巖體力學參數(shù)及隧洞圍巖變形極復雜，對其變化規(guī)律還需在今后工作中做深入的研究。

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