深埋隧道工程高地應(yīng)力影響下圍巖穩(wěn)定性分析

白 云，呂建紅，鄒 凱

(1.青海省水利水電勘測設(shè)計研究院，西寧 810001; 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

引大濟湟工程通過將大通河豐富的水資源，通過一系列引水措施引入水資源嚴重不足的湟水河支流上游寶庫河。調(diào)水總干渠作為“引大濟湟”的龍頭工程，主要由引水隧洞、引水樞紐、出口明渠三部分組成。引水隧洞作為將水資源穿過大坂山從大通河流域輸出到湟水河流域重要工程，其重要程度不言而喻。然而，中國西部地區(qū)復(fù)雜的地應(yīng)力條件，大坂山復(fù)雜的地質(zhì)條件給工程進行帶來了巨大的考驗。

對于隧道圍巖穩(wěn)定性，通常是通過某些定性指標進行分析。圍巖穩(wěn)定性的定性分析方法目前最常用的是圍巖分級法，依據(jù)前人大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出的相關(guān)規(guī)范。對于深埋隧道，很多學(xué)者在進行傳統(tǒng)方法分析的時候采用數(shù)值模擬分析進行相互佐證[1-2]。隧洞圍巖數(shù)值模擬方法主要是采用基于彈塑性力學(xué)理論的本構(gòu)模型和數(shù)值計算方法，分析隧洞圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等特征，以及隧洞圍巖在一定的地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)。FLAC(Fast Lagrangian Analsis of Continua)全稱連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分分析方法，由美國Itascas公司應(yīng)用此方法進行巖土體的穩(wěn)定性分析中并開發(fā)出相關(guān)FLAC 2D以及FLAC 3D系列商用軟件[3]。鄭穎人[4]提出隧洞安全強度折減分析法，以計算不收斂為依據(jù)，結(jié)合位移突變判據(jù)，判斷隧洞圍巖失穩(wěn)條件。該方法通過折減隧洞圍巖的力學(xué)參數(shù)求得隧洞處于極限狀態(tài)下的破壞狀態(tài)和折減系數(shù)。隧洞圍巖的穩(wěn)定安全系數(shù)可作為圍巖穩(wěn)定性分析的定量判據(jù)。對于高地應(yīng)力區(qū)的深埋隧道，通過測量天然地應(yīng)力[5]分布，定量分析高地應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性影響顯得尤為重要。

本文結(jié)合正在建設(shè)的引大濟湟干渠工程中的深埋引水隧道，通過分析隧道沿線地應(yīng)力的分布規(guī)律，利用FLAC 3D軟件，采用強度折減分析法對隧道圍巖進行穩(wěn)定性分析，對圍巖發(fā)生巖爆的可能性進行判別，以期為工程建設(shè)提供借鑒。

1 隧道地質(zhì)及工程地質(zhì)條件

1.1 地形地質(zhì)

隧道沿線包括了大坂山高山區(qū)及其兩側(cè)的門源盆地和大通盆地區(qū)。由于新生代以來地殼的頻繁運動，導(dǎo)致了不同程度的褶皺、斷裂的活動和第四紀以來的強烈抬升。從而形成了現(xiàn)今的中高山、丘陵、盆地以及河谷地貌。侵蝕斷塊中、高山，高程在3 200～4 250m；山前剝蝕丘陵地貌分布于大坂山山麓地帶門源盆地周圍，高程在3 200～3 600m；盆地黃土丘陵地貌主要分布在引水隧洞區(qū)東南部的大通盆地內(nèi)，絕對高程在2 450～2 950m。

沿線地層的主要巖性有：下元古界的中-深變質(zhì)巖、下古生界的中-淺變質(zhì)巖、上古生界、中生界、新生界以及加里東構(gòu)造時期的巖漿侵入巖。大坂山南側(cè)大面積出露中生界三疊系內(nèi)陸湖相碎屑巖、下元古界變質(zhì)巖以及部分地區(qū)出露少量侵入巖。其接觸關(guān)系多為不整合接觸或假整合接觸。工程區(qū)第四系分布廣泛，以河流沖積層與沖溝沖洪積層為主，在寶庫河上游和大通河上游及大的沖溝等處還有冰川堆積。

區(qū)域上位于青藏高原北緣，處于祁連地槽褶皺系內(nèi)。褶皺系東北面為中朝準地臺最西部的一部分，西南為秦嶺褶皺系西部的一部分。圖1為近場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖。

新構(gòu)造運動分區(qū)：Ⅰ、山地強烈隆起區(qū)；Ⅰ1、冷龍嶺隆起區(qū)；Ⅰ2、大坂山隆起區(qū)；Ⅱ、盆地相對沉降區(qū)；Ⅱ1、門源盆地沉降區(qū)；Ⅱ2、皇城盆地沉降區(qū)；Ⅱ3、石頭峽弱隆起區(qū)主要斷裂：1、冷龍嶺斷裂帶；2、門源盆地北緣斷裂帶；3、門源盆地南緣斷裂帶；4、萊日圖河-蘇吉灘斷裂帶；5、西達坂北斷裂；6、達坂掌斷裂帶；7、大坂山南緣斷裂；8、俄博山斷裂；9、寶庫河斷裂圖1 近場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of near-field region

引水隧洞區(qū)域位于祁連褶皺系的中部隆起帶和北祁連褶皺帶附近，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造呈NW-SE向分布，有少量EW向構(gòu)造在其間穿插分布。本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，褶皺和斷裂充分發(fā)育，數(shù)量眾多，形態(tài)復(fù)雜。

1.2 水文地質(zhì)

大坂山南麓以中高山為主，溝谷、山脊平直且平行排列，與大坂山分水嶺近于垂直，地形陡，地表水易排泄。而大坂山北麓為中低山與丘陵區(qū)，地形相對平緩，溝谷彎曲，匯水面積大；溝底平緩，地表水排泄較慢，有利于地表水入滲補給地下水。大坂山以南以塊狀結(jié)晶巖裂隙水為主，富水帶為斷層帶及侵入巖接觸帶脈狀地下水。大坂山以北主要為碎屑巖地區(qū)，除斷層及其影響帶脈狀地下水豐富外，還有碎屑巖(古近系紅層)孔隙裂隙水和溝谷型孔隙水。大坂山以北部分斷層順溝發(fā)育，沖溝與斷層帶脈狀水、向斜盆地孔隙裂隙水、溝谷松散孔隙水水力聯(lián)系較密切。南坡斷層帶多與沖溝垂直，斷層帶脈狀地下水與地表水聯(lián)系弱。總體上，工程區(qū)大坂山北麓水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水豐富，而南坡水文地質(zhì)條件相對簡單。

1.3 工程地質(zhì)

引水隧洞長24.17km，引水隧洞進出口高程分別為2 956m、2 942m。該隧洞在穿過大坂山的最大深度為1 028m，平均深度約480m，屬于深埋長隧洞。隧洞所經(jīng)過的中、高山區(qū)地勢陡峻，山體兩側(cè)多有常年流水的深切溝谷。

根據(jù)青海省水利水電勘測設(shè)計研究院2016年至2017年施工勘察成果，工程區(qū)的巖石與土體的力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1 隧洞區(qū)巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標參數(shù)

表2 隧洞區(qū)出口段土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

總體上，隧道沿線主要的工程地質(zhì)問題是深埋隧道高地應(yīng)力作用下軟弱巖石的穩(wěn)定性差和脆性巖石的可能發(fā)生巖爆的問題。通過地應(yīng)力分布規(guī)律分析，利用數(shù)值分析軟件計算隧道沿線的圍巖應(yīng)力，分析軟巖的穩(wěn)定性隨埋深的變化，判斷沿線發(fā)生巖爆可能性，可以為工程的安全施工提高支撐。

2 地應(yīng)力分布規(guī)律

青海省水利水電勘測設(shè)計研究院在2015年隧道工程初步勘察階段就進行了地應(yīng)力測量，采用的測試方法為水壓致裂法，先后進行了5個鉆孔的測試，根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立回歸方程，分析地應(yīng)力的分布規(guī)律。其中的SZK5孔在大坂山南麓的中高山區(qū)，巖性為元古界一套中深變質(zhì)巖系，輕混合巖化的石英片巖、片麻巖、綠泥石云母片巖等，巖性較堅硬。通過SZK5孔的地應(yīng)力測量獲得了不同深度上12個測段的主應(yīng)力測量結(jié)果，在95～352m的深度域上，最大水平主應(yīng)力值為2.97～20.04MPa，最小水平主應(yīng)力值2.45～12.02MPa，估算出的垂直應(yīng)力值2.57～9.51MPa，圖2為地應(yīng)力最大主應(yīng)力隨埋深變化圖。兩向水平應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，水平主應(yīng)力起主導(dǎo)作用，表明以水平擠壓應(yīng)力為主的現(xiàn)今地殼應(yīng)力特征。洞身高程2 946～2 951m，對應(yīng)最大水平主應(yīng)力值為17.7MPa，最小水平主應(yīng)力值10.58MPa，平均值8.8～8.9MPa；但在隧洞軸線處隧洞埋深794～799m，對應(yīng)水平應(yīng)力平均值21.6～21.7MPa。

圖2 最大主應(yīng)力隨埋深變化Figure 2 Maximum principal stress variations with depth deepening

對SZK5孔測量結(jié)果用線性回歸方法進行計算得到的兩向水平應(yīng)力與深度的關(guān)系式為：

SH=-3.49+0.063H(MPa)r=0.966

(1)

Sh=-1.17+0.035H(MPa)r=0.970

表示借代意義的詞,與其造詞理據(jù)密切相關(guān)。這種理據(jù)主要表現(xiàn)為,人們造詞活動中所選用的替代物(也就是借體)與被替代對象(也就是本體或者實體)之間相互關(guān)聯(lián)上有遠近之別,在關(guān)聯(lián)方式上存在多樣性。

(2)

在大坂山北麓的中生代沉積蓋層區(qū)，侏羅系巖性為泥巖，夾細砂巖、多層煤線或煤層、碳質(zhì)泥頁巖等；三疊系上統(tǒng)二段為石英砂巖，巖性普遍較軟。通過對SZK4孔地應(yīng)力測量獲得了不同深度上10個測段的主應(yīng)力測量結(jié)果，該孔主應(yīng)力值在深度上的變化比較明顯，在小于130m的深度域上，最大水平主應(yīng)力為2.10～2.95MPa， 最小水平主應(yīng)力為1.50～2.30MPa，估算出的垂直應(yīng)力為1.89～2.98MPa。自重引起的垂直應(yīng)力起主導(dǎo)作用。在大于130m的深度域上，最大水平主應(yīng)力為6.10～14.42MPa，最小水平主應(yīng)力為3.90～8.42MPa，估算出的垂直應(yīng)力為3.52～5.18MPa。兩向水平應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，表明一定程度的構(gòu)造應(yīng)力作用的現(xiàn)今地殼應(yīng)力特征。

①在隧洞段埋深小于130m范圍內(nèi)，巖土體因外力風(fēng)化、卸荷作用影響，構(gòu)造應(yīng)力隨巖體卸荷作用而降低乃至消失，巖土體以自重應(yīng)力為主。

②在隧洞段埋深大于130m范圍內(nèi)，巖土體存在水平構(gòu)造應(yīng)力，受水平構(gòu)造應(yīng)力和垂直自重應(yīng)力雙重影響，但巖土體的最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，方向為NNE向，在16.6°～20°。

③在隧洞段埋深350m處，根據(jù)水壓致裂法測得的巖土體最大水平應(yīng)力約為13.5MPa。在隧洞段埋深600m處，隧洞圍巖的最大水平應(yīng)力約20MPa。在隧洞段埋深1 000m左右，最大水平應(yīng)力約30MPa，該處地應(yīng)力場有逐漸向靜水壓力場過渡的趨勢。

3 隧道圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)隧洞圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地下水分布情況等特征從進口至出口按順序?qū)⒁矶磭鷰r分為30個工程地質(zhì)段。其中第一段至第十八段，是三疊系上統(tǒng)(T3)、侏羅系(J)、 古近系(E)，以軟弱泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，第十九段至第三十段，以中、深變質(zhì)巖與侵入巖為主。圖3為隧道沿線地質(zhì)條件變化示意圖。

圍巖工程地質(zhì)分類結(jié)果表明，Ⅱ類圍巖洞室長7 241.4m，占隧洞總長的30%，Ⅲ類圍巖長5 972.3m，占隧洞總長的24.7%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖長10 952.3m，占隧洞總長的45.3%。第一段至第十八段， 隧洞圍巖主要是Ⅳ—Ⅴ類圍巖， 少數(shù)屬于Ⅲ類圍巖，巖石強度較低，不利于洞室穩(wěn)定。從第十九段至第三十段，以Ⅱ—Ⅲ類圍巖為主，少數(shù)Ⅳ、Ⅴ類圍巖，巖石強度高，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀、厚層狀結(jié)構(gòu)為主，有利于洞室穩(wěn)定。

圖3 隧道沿線地質(zhì)條件變化示意Figure 3 A schematic diagram of geological condition variation along tunnel

基于FLAC 3D軟件對隧道圍巖進行三維穩(wěn)定性分析。地下圓形洞室在深埋情況下應(yīng)力重分布的影響區(qū)域發(fā)生在3～5倍洞徑范圍內(nèi)， 故模型邊界取四倍洞徑。模型垂直隧洞軸線方向取110m，鉛直向由隧洞軸線高程向上和向下取40m，隧洞巖土體采用四節(jié)點模擬，邊界XX向、YY向、底邊Z邊界完全約束。巖土體材料模型均是基于摩爾-庫倫本構(gòu)的彈塑性模型模擬。

當引水隧洞在Ⅴ類圍巖埋深110m工況下，圍巖參數(shù)折減2時，由圖4塑性區(qū)云圖顯示，綠色區(qū)域為過去處于受剪狀態(tài)模型平衡后依然遭受剪應(yīng)力影響的區(qū)域，隧洞周圍紅色區(qū)域顯示圍巖有小部分處于塑性變形狀態(tài)，塑性變形出現(xiàn)在隧洞洞周及隧洞兩側(cè)。

表3 不同計算深度采用地應(yīng)力數(shù)值

當圍巖參數(shù)折減2.5時，由圖5塑性區(qū)云圖顯示，綠色區(qū)域為過去處于受剪狀態(tài)模型平衡后依然遭受剪應(yīng)力影響的區(qū)域。塑性變形自隧洞中下部朝隧洞兩側(cè)向上發(fā)展，該區(qū)域可以看作圍巖在參數(shù)折減2的塑性區(qū)域的進一步擴大，模型塑性區(qū)已經(jīng)貫通。當圍巖參數(shù)折減3時，隨著步數(shù)增長，最大不平衡力沒有趨向于0，模型不收斂。故在埋深110m條件下，隧洞圍巖的穩(wěn)定折減系數(shù)為2.5。

圖4 折減系數(shù)2.0塑性區(qū)云圖Figure 2 Plastic zone nephogram of reduction coefficient 2.0

圖5 折減系數(shù)2.5塑性區(qū)云圖Figure 5 Plastic zone nephogram of reduction coefficient 2.5

當引水隧洞在Ⅴ類圍巖埋深350m工況下的折減系數(shù)為1.8，不同折減系數(shù)下的塑性區(qū)分布見圖6。通過FLAC穩(wěn)定性強度折減法求出設(shè)定埋深下無襯砌隧洞的Ⅴ類圍巖穩(wěn)定折減系數(shù)，見表4。

表4 不同埋深條件下圓形隧洞折減系數(shù)

數(shù)值計算結(jié)果表明，隨著埋深增加，隧道的圍巖穩(wěn)定性逐步降低，Ⅴ類圍巖埋深超過600m，穩(wěn)定性已明顯降低，安全性不夠。

4 隧道圍巖巖爆分析

根據(jù)格里菲斯(Griffith)關(guān)于圓形洞室發(fā)生巖爆的臨界條件[7]進行判斷，臨界條件公式如下：

σθ/8σt>1

(3)

圖6 不同折減系數(shù)下的塑性區(qū)分布Figure 6 Plastic zone distributions under different reduction coefficients

式中：σt——巖石抗拉強度，MPa；σθ——切向應(yīng)力，MPa。

在(1)式的條件下，再根據(jù)σc/σt的大小進行判斷。σc為巖石飽和抗壓強度，MPa。σc/σt越小，發(fā)生巖爆的強度越高，并根據(jù)式(4)進行判斷。

(4)

經(jīng)計算可知，在隧洞圍巖的第八至第十八段，即大坂山北麓地槽期后中生代沉積蓋層區(qū)，σθ/8σt為0.21～9.4，其特點是硬巖(石英砂巖)σθ/8σt普遍小于1，無巖爆；軟巖σθ/8σt普遍大于1，存在塑性變形問題。第十九至第二十六段，處于大坂山頂部及南部高山區(qū)，σθ/8σt為0.4～36.2，部分(抗拉強度低者)σθ/8σt大于1，有發(fā)生巖爆的可能，再參考σc/σt值，為8.51～183.00，根據(jù)式(4)判斷有中等巖爆至弱巖爆，部分可能有較強巖爆，主要分布于侵入巖區(qū)。第二十九段至第三十段，σθ/8σt為0.11～0.95，小于1，無巖爆。

5 結(jié)論

1)隧道埋深較淺時，巖土體以垂直自重應(yīng)力為主，研究區(qū)在隧道埋深達到一定深度時，水平地應(yīng)力為主應(yīng)力，并隨深度線性增加。

2)隨著埋深增加，隧道的圍巖穩(wěn)定性逐步降低，Ⅴ類圍巖埋深超過600m，穩(wěn)定性已明顯較低。

3)在引水隧洞圍巖的第十九至第二十六段有中等巖爆至弱巖爆，部分地段可能有較強巖爆。