隧洞典型斷面圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究與支護設計效果分析

莊 海 龍

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

楊房溝水電站引水隧洞3號施工支洞地質(zhì)環(huán)境復雜，隧址區(qū)大量分布炭質(zhì)板巖，Ⅳ～Ⅴ類圍巖[1]以薄層～極薄層狀板巖、碎裂狀板巖為主，受節(jié)理裂隙切割程度、巖塊強度、地下水發(fā)育情況、開挖面與層面相互關(guān)系等因素影響，圍巖破碎程度和變形特征差異較大。軟弱破碎巖體是引起隧洞開挖過程中出現(xiàn)掌子面塌方、圍巖大變形、掉塊等病害的主要原因，因此，對隧洞圍巖穩(wěn)定性及支護效果進行分析，對保證水工隧洞安全施工具有重要的意義。

本研究分別建立了Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類圍巖隧洞斷面，對地應力場進行了分析并獲得圍巖應力環(huán)境，通過有限元數(shù)值模擬方法，分析獲得了圍巖的應力場、變形場和塑性區(qū)分布特征[2]，為現(xiàn)場安全開挖提供了參考，同時為支護設計奠定了基礎(chǔ)。

2 隧洞典型斷面圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

2.1 斷面位置的選取

圍巖應力場以隧址區(qū)宏觀和細觀應力場分析結(jié)果為基礎(chǔ)，分別選取Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類圍巖代表性斷面位置，提取了該位置圍巖豎向應力和水平應力值(表1)。

2.2 數(shù)值模型的建立

由于軟弱、破碎巖體完整性差，在開挖卸荷、地下水環(huán)境和應力環(huán)境改變下，其力學性能參數(shù)的確定極為重要[3]。

表1 圍巖應力水平表

本研究采用FLAC和Abaqus有限元分析軟件，考慮到邊界效應的影響，建立了平面尺寸為50 m×50 m的單位厚度平面應變模型，在模型頂部施加豎向壓力，兩側(cè)施加水平壓力。模型邊界應力的大小與隧洞所處位置的埋深相關(guān)，根據(jù)對全線隧洞埋深及圍巖類別進行分析，Ⅲ類圍巖區(qū)取埋深為350 m，Ⅳ類圍巖埋深較大，取為650 m，Ⅴ類圍巖埋深普遍較小，取為300 m，邊界應力量值大小如表2所示，模型底部為固定位移邊界。模擬過程中，首先通過彈性模型計算該模型在自重作用下的自重應力場，然后在模型邊界施加豎向和水平壓力并開挖隧洞，計算此時圍巖的應力場、變形場和塑性區(qū)分布特征。隧洞以設計開挖實際尺寸為準(對于不同類別的圍巖，隧洞開挖輪廓尺寸略有差異)，圍巖質(zhì)量越差其二襯厚度越大，則隧洞開挖輪廓相對越大(表3)。

表2 數(shù)值模型巖體物理力學參數(shù)表

表3 數(shù)值模型隧洞尺寸表

以彈性模型計算生成自重應力場后，施加豎向和水平壓力，同時開挖隧洞，以M-C模型計算開挖后圍巖的應力場、變形場和塑性區(qū)分布特征，據(jù)此分析圍巖的穩(wěn)定性。

2.3 圍巖穩(wěn)定性分析

2.3.1 Ⅲ類圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)前述圍巖物理力學參數(shù)及隧洞幾何參數(shù)，采用FLAC3D有限差分程序建立數(shù)值模型，并施加豎向和水平應力，模擬隧洞開挖后圍巖的應力場和變形場分布特征。

所獲取的應力場特征為：隧洞輪廓淺層巖體出現(xiàn)拉應力，尤其是拱頂和底板中部位置，處于近似三向受拉作用，邊墻深部圍巖出現(xiàn)較大的壓應力集中區(qū)域，最大壓應力達到約20 MPa。

獲取的最大變形特征為：最大水平變形位置位于邊墻到拱肩區(qū)域，兩側(cè)圍巖向隧洞內(nèi)的收斂變形約為29 mm；底板隆起變形最大，約為13 mm，拱頂下沉變形約為26 mm。總體來看，隧洞開挖后圍巖向洞內(nèi)收斂變形，但變形量值不大，最大變形為拱頂下沉。

從Ⅲ類圍巖隧洞開挖后應力場、變形特征和塑性區(qū)分布特征可以推斷：

(1)Ⅲ類圍巖巖體完整性和力學性能較好，開挖卸荷將引起隧洞拱頂和底板中部局部區(qū)域拉應力集中，同時拉應力量值較小，并不會引起圍巖的拉裂破壞，無塑性區(qū)分布；但是，需要注意的是：現(xiàn)場爆破振動造成淺部圍巖破碎，在拉應力作用下產(chǎn)生局部掉塊現(xiàn)象。

(2)邊墻位置的圍巖處于三向受壓的壓應力集中作用，較大的壓應力作用使得淺部圍巖產(chǎn)生塑性破壞，但塑性區(qū)范圍較小，最大深度僅約4.5 m，產(chǎn)生的收斂變形也非常有限，僅為29 mm。

(3)總體來看，對于Ⅲ類圍巖區(qū)域，隧洞開挖后整體穩(wěn)定性較好，不會產(chǎn)生較大的收斂變形或塑性破壞，但要警惕拱頂圍巖在節(jié)理切割和施工擾動作用下出現(xiàn)的局部掉塊造成人員和機具損傷。

2.3.2 Ⅳ類圍巖穩(wěn)定性分析

與Ⅲ類圍巖不同，Ⅳ類圍巖分布區(qū)域隧洞埋深較大，上覆壓力亦較大。同時，Ⅳ類圍巖力學性能更差，巖體完整性更差，Ⅳ類圍巖開挖斷面尺寸也更大，從而造成圍巖穩(wěn)定性較Ⅲ類圍巖差得多。初步的數(shù)值分析結(jié)果表明：在此情況下，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生持續(xù)的塑性變形，圍巖已經(jīng)失穩(wěn)破壞。為此，采用基于強度折減法的數(shù)值分析，在既有工況下，通過不斷折減圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角，直至計算收斂的臨界狀態(tài)，得到穩(wěn)定性系數(shù)。

通過強度折減計算， Ⅳ類圍巖在大埋深下的穩(wěn)定性系數(shù)fs=0.96。

所獲取的應力場特征為：隧洞輪廓淺層巖體出現(xiàn)拉應力，拉應力區(qū)較Ⅲ類圍巖大，但是并沒有出現(xiàn)三向受拉作用區(qū)；邊墻深部圍巖出現(xiàn)較大的壓應力集中區(qū)域，最大拉應力僅為0.07 MPa。在隧洞開挖輪廓淺部的圍巖，其最大壓應力為45 MPa。

所獲取的最大變形特征為：與Ⅲ類圍巖類似，最大水平變形位置位于邊墻中部至拱肩區(qū)域，但變形量顯著增大，兩側(cè)邊墻圍巖向隧洞內(nèi)的收斂變形達到1.2 m；底板隆起變形最大約為0.19 m，拱頂下沉變形則達到0.85 m?？傮w來看：隧洞開挖后圍巖向洞內(nèi)收斂變形且變形量值較大，最大變形依然為拱頂下沉。

從Ⅳ類圍巖隧洞開挖后的應力場、變形特征和塑性區(qū)分布特征可以推斷：

(1)Ⅳ類圍巖巖體完整性和力學性能相對較差，且隧洞埋深普遍較大，圍巖壓力亦相應更大，開挖卸荷將引起隧洞拱頂和底板中部局部區(qū)域的拉應力集中，但并沒有三向拉應力集中區(qū)。由于圍巖收斂變形量大，加上圍巖完整性較差，施工爆破擾動作用下降，將會出現(xiàn)局部甚至整體垮塌破壞。

(2)邊墻位置的圍巖處于三向受壓的壓應力集中作用，較大的壓應力作用使得淺部圍巖產(chǎn)生顯著的塑性破壞，塑性區(qū)自拱肩和底腳向邊界貫通，產(chǎn)生的收斂變形較大，臨界狀態(tài)下兩側(cè)邊墻的最大收斂變形達到1.2 m。

(3)總體來看，在最大上覆壓力工況下，由于Ⅳ類圍巖隧洞埋深普遍較大，圍巖壓力大且圍巖完整性相對較差，隧洞開挖后整體穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定性系數(shù)為0.96，塑性破壞范圍顯著擴大并貫通失穩(wěn)。非最不利工況下，圍巖整體問題需要警惕拱頂圍巖在節(jié)理切割和施工擾動作用下出現(xiàn)的局部掉塊甚至塌方風險，同時要關(guān)注邊墻持續(xù)、較大的收斂變形。

2.3.3 Ⅴ類圍巖穩(wěn)定性分析

與Ⅳ類圍巖相比，Ⅴ類圍巖的力學性能更差，巖體開挖后圍巖的穩(wěn)定性更差。但是，相對來說，Ⅴ類圍巖所在區(qū)域隧道埋深普遍較小。根據(jù)對全線Ⅴ類圍巖區(qū)隧道埋深情況進行的分析，取最大埋深300 m處典型斷面開展了穩(wěn)定性分析。

所獲取的應力場特征為：隧洞輪廓淺層巖體出現(xiàn)拉應力，拉應力區(qū)與Ⅳ類圍巖類似，同樣并沒有出現(xiàn)三向受拉作用區(qū)；邊墻圍巖出現(xiàn)較大的壓應力集中區(qū)域，圍巖應力場分布特征與Ⅳ類圍巖臨界狀態(tài)應力場相似。

所獲取的最大變形特征為：最大水平變形位置位于邊墻中部至拱肩區(qū)域，但變形量顯著增大，兩側(cè)邊墻圍巖向隧洞內(nèi)的收斂變形超過1.3 m；底板隆起變形值最大約為0.18 m，較Ⅳ類圍巖小，拱頂下沉變形則達到0.9 m，較Ⅳ類圍巖大?？傮w來看，隧洞開挖后圍巖向洞內(nèi)產(chǎn)生收斂變形。

同樣，Ⅴ類圍巖典型斷面初步數(shù)值分析結(jié)果表明：在300 m埋深情況下，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生持續(xù)的塑性變形，已經(jīng)失穩(wěn)破壞。同樣，采用基于強度折減法的數(shù)值分析，在既有工況下，通過不斷折減圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角，直至計算收斂的臨界狀態(tài)，即可得到穩(wěn)定性系數(shù)。

通過強度折減計算， Ⅴ類圍巖在較淺埋深(300 m)下的穩(wěn)定性系數(shù)fs=0.89。

從Ⅴ類圍巖開挖后圍巖最大和最小主應力云圖可以看出：隧洞輪廓淺層巖體出現(xiàn)拉應力，拉應力區(qū)與Ⅳ類圍巖類似，同樣并沒有出現(xiàn)三向受拉作用區(qū)；邊墻圍巖出現(xiàn)了較大的壓應力集中區(qū)域，圍巖應力場分布特征與Ⅳ類圍巖臨界狀態(tài)應力場相似。

從Ⅴ類圍巖隧洞開挖后應力場、變形特征和塑性區(qū)分布特征可以推斷：

(1)Ⅴ類圍巖巖體完整性和力學性能差，雖然其總體埋深較小，但在開挖卸荷下已經(jīng)出現(xiàn)明顯的塑性失穩(wěn)，將引起隧洞拱頂、邊墻、底板淺層張拉破壞，深部壓剪破壞；圍巖收斂變形量大，達到米級，加上圍巖完整性較差，施工爆破擾動作用下將出現(xiàn)明顯的垮塌破壞。

(2)對于頂板圍巖較大的下沉變形，應特別注意圍巖的穩(wěn)定性特征，在重力作用下，極易出現(xiàn)掉塊、局部垮塌甚至貫通性失穩(wěn)破壞，因此，應加強初期支護強度并在開挖后及時支護。對于底板圍巖上拱變形，一方面，其變形量值顯著小于頂板圍巖下沉量；另一方面，施工過程中其底板在機械設備和運輸車輛的反復碾壓下，考慮一定的施工荷載，也有利于減小圍巖的上拱變形，且底板圍巖的變形并不會引起工程災害。因此，只要保證不影響永久支護結(jié)構(gòu)的施工，可以不必對其進行處置。

(3)總體來看，雖然Ⅴ類圍巖隧洞埋深普遍較小，圍巖壓力較小，但是，由于圍巖完整性極差，隧洞開挖后整體穩(wěn)定性差，埋深300 m處的穩(wěn)定性系數(shù)為0.86，塑性破壞范圍顯著擴大并貫通失穩(wěn)。進一步考慮現(xiàn)場圍巖碎裂化特征的實際情況，加上局部地下水軟化作用，可以判斷：在這些非最不利工況組合下，圍巖的穩(wěn)定性將會更差，在較小的埋深情況下，圍巖即產(chǎn)生較大的塑性不收斂變形，甚至是整體失穩(wěn)破壞。

3 隧洞圍巖初期支護效果分析

3.1 初期支護效果分析

根據(jù)前期隧洞支護設計資料，不同類別圍巖采取的支護措施方案見表4。

表4 支護襯砌參數(shù)對比表

3.2 支護模型的建立

采用Midas-GTS有限元軟件開展圍巖支護效果模擬研究。Midas-GTS是一款成熟的大型通用有限元分析軟件，可以方便地模擬巖土介質(zhì)及其工程結(jié)構(gòu)措施，分析不同介質(zhì)的協(xié)同工作及受力變形特征?？紤]到隧洞開挖后淺層圍巖受擾動、力學性能的弱化作用，將現(xiàn)場試驗獲得的圍巖彈性模量作為開挖后松動圈圍巖的力學參數(shù)，將其余力學參數(shù)相應折減弱化。根據(jù)前面對圍巖開挖穩(wěn)定性的模擬結(jié)果，綜合取圍巖淺層3 m范圍為松動圈，亦即淺層3 m巖體采用松動圈圍巖參數(shù)，深部圍巖依然采用原狀巖體力學參數(shù)。

開挖后的巖體物理力學特征見表5，其余隧洞幾何尺寸及應力環(huán)境參數(shù)依然采用表2和表 3所示的數(shù)據(jù)，建立有限元網(wǎng)格模型，施加相應的豎向和水平應力，并且根據(jù)表4所示采用的隧洞支護措施，通過結(jié)構(gòu)單元模擬初期支護措施中的錨桿和鋼支撐，計算并分析在初期支護作用下圍巖的應力場和變形場特征。

表5 開挖后的巖體物理力學參數(shù)表

3.3 Ⅳ類圍巖支護效果分析

作為對比，選取與未支護圍巖穩(wěn)定性分析相同的Ⅳ類圍巖模型，即實際工程現(xiàn)場Ⅳ類圍巖中埋深最大處斷面，在隧洞開挖后施加錨桿、噴射混凝土層和鋼拱架三種主要的初期支護措施。其中，噴射混凝土層的模擬是將掛網(wǎng)考慮在內(nèi)，采用C25混凝土與掛網(wǎng)綜合參數(shù)，用C30混凝土代替，并計算初支作用下圍巖的應力和變形特征，進而對初期支護效果進行評價。

根據(jù)實際施工過程，待圍巖開挖后應力調(diào)整之后施加初期支護結(jié)構(gòu)。Ⅳ類圍巖初期支護模型參數(shù)見表6。

表6 Ⅳ類圍巖初期支護模型參數(shù)表

在此過程中，圍巖應力分兩階段釋放，分別為開挖后未支護階段和初期支護階段。結(jié)合實際施工情況，Ⅳ類圍巖開挖后第一階段應力釋放系數(shù)為0.3，第二階段為0.35。原本不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖大埋深典型斷面在由錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等聯(lián)合初支作用下，考慮實際開挖過程中圍巖應力的兩階段釋放過程，圍巖整體達到穩(wěn)定。

所獲取的Ⅳ類圍巖埋深最大位置處隧洞施加初期支護后的應力場特征為：(1)支護后圍巖未出現(xiàn)雙向受拉區(qū)域，隧洞開挖輪廓淺部圍巖應力顯著減小，最大壓應力值在3.7～37 MPa之間，淺部圍巖豎向應力普遍較小，圍巖深部區(qū)域原巖應力受較大雙向受壓狀態(tài)，初期支護作用后圍巖應力分布較均勻，高應力位置主要集中在拱腳等局部區(qū)域；(2)錨桿及鋼拱架對圍巖應力調(diào)整作用顯著，淺部圍巖應力趨于均勻且量值顯著減小，更有利于圍巖的穩(wěn)定性。

獲取的圍巖變形及塑性區(qū)分布特征為：與未支護情況下對比，總體來看，圍巖變形量顯著減小，水平最大變形出現(xiàn)在拱腰附近，最大約為55 mm，兩側(cè)向洞內(nèi)收斂變形；豎向最大變形出現(xiàn)在拱頂，下沉量約為45 mm，底板上拱最大約為37 mm。由于圍巖變形量較大，導致錨桿和鋼拱架均產(chǎn)生較大的變形，表現(xiàn)為錨桿隨圍巖向洞內(nèi)的收斂變形，而鋼拱架變形主要在拱腰附近被壓屈變形，錨桿最大變形量約為42 mm，鋼拱架最大變形約為50 mm，變形量值均較小。

從Ⅳ類圍巖隧洞開挖并施加初期支護措施后的圍巖應力場、變形特征和塑性區(qū)分布特征以及錨桿和鋼拱架變形特征可以推斷：

(1)Ⅳ類圍巖最大埋深較大，圍巖應力較大，開挖后施加初期支護措施后，有效提高了圍巖的穩(wěn)定性，使圍巖應力的分布更趨于均勻，圍巖淺部無雙向受拉區(qū)，且受壓應力較小。

(2)由于圍巖應力的調(diào)整，作用在初期支護結(jié)構(gòu)上的壓力較大，使錨桿和鋼拱架產(chǎn)生變形，且變形主要集中在拱腰附近區(qū)域。為此，初期支護施做后，應密切關(guān)注鋼拱架的變形，尤其是拱腰處鋼拱架的壓屈，在埋深較大、地下水發(fā)育，或者受明顯偏壓的洞段，應進一步考慮加密鋼拱架、減小鋼拱架支護的間距。

(3)開挖后的圍巖應力調(diào)整是一個漸進的過程，對于自穩(wěn)能力較好的巖體，可以充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，提高第一階段的應力釋放率，減小作用在初支結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力；對于自穩(wěn)能力差的巖體，則應盡快完成初期支護，保證圍巖整體的穩(wěn)定性。

總體來看，在最大上覆壓力工況下，由于Ⅳ類圍巖隧洞埋深普遍較大，圍巖壓力大，使得原本不穩(wěn)定的隧洞在初支作用下整體保持穩(wěn)定。考慮到圍巖應力作用在初支上的時間效應，在施工的短期內(nèi)可以保證圍巖的整體穩(wěn)定。但是，需要密切監(jiān)控鋼拱架的變形狀態(tài)及速率，避免出現(xiàn)壓屈破壞，并在產(chǎn)生較大變形前施做完成永久襯砌，如此實施：可以充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，保證圍巖的長期穩(wěn)定性。

3.4 Ⅴ類圍巖支護效果分析

同樣，選取與未支護圍巖穩(wěn)定性分析相同的Ⅴ類圍巖模型，即實際工程現(xiàn)場Ⅴ類圍巖中埋深最大處斷面，在隧洞開挖后施加錨桿、噴射混凝土層和鋼拱架三種主要的初期支護措施[4](表7)。其中，噴射混凝土層的模擬是將掛網(wǎng)考慮在內(nèi)，采用C25混凝土與掛網(wǎng)綜合參數(shù)，用C30混凝土代替并計算初支作用下圍巖的應力和變形特征，進而對初期支護效果進行評價。

表7 Ⅴ類圍巖初期支護模型參數(shù)表

考慮到隧址區(qū)廣泛分布的軟弱、碎裂狀炭質(zhì)板巖，開挖后圍巖自穩(wěn)能力極差，因此，模擬過程中，將巖體開挖后第一階段的圍巖應力釋放率取為0.1，初期支護作用后的應力釋放率取為0.3，故其后期永久支護還應承擔余下0.6的圍壓壓力。

所獲取的Ⅴ類圍巖埋深最大位置處隧洞施加初期支護后的應力場特征為：(1)支護后圍巖應力較小，分布均勻，僅在隧洞底板和拱腰處出現(xiàn)很小的拉伸應力集中，而拱腳局部區(qū)域出現(xiàn)壓應力集中；(2)隧洞開挖輪廓淺部圍巖應力顯著減小，最大壓應力值約為9.8 MPa，除局部壓應力集中外，淺部圍巖豎向應力普遍較小(小于3 MPa)，圍巖深部區(qū)域原巖應力受較大雙向受壓，初期支護作用后圍巖應力分布較均勻。

所獲取的圍巖變形及塑性區(qū)分布特征為：(1)與未支護情況下對比，總體來看，圍巖變形量顯著減小，最大變形同樣出現(xiàn)在拱腰附近(最大約為30 mm)。(2)主要產(chǎn)生向隧洞內(nèi)的收斂變形以拱腰和底板變形為主，變形較均勻，變形量值較Ⅳ類圍巖小；(3)塑性區(qū)分布方面，與Ⅳ類圍巖類似，塑性區(qū)主要分布在兩側(cè)邊墻及拱腳區(qū)域，在拱頂和底板處并未形成塑性貫通區(qū)，塑性區(qū)最大范圍約為hp=3.8 m，較Ⅳ類圍巖小。

從Ⅴ類圍巖隧洞開挖并施加初期支護措施后的圍巖應力場、變形特征和塑性區(qū)分布特征以及錨桿和鋼拱架變形特征可以推斷：

(1)Ⅴ類圍巖埋深普遍較小，圍巖應力較小，兩階段圍巖應力釋放率較小，施加初期支護措施后，大大提高了圍巖的穩(wěn)定性，使圍巖應力分布更趨于均勻，圍巖拱腰附近淺部出現(xiàn)拉應力集中，拱腳淺部出現(xiàn)壓應力集中，總體圍巖應力量值較小，整體穩(wěn)定性好。

(2)相對于Ⅳ類圍巖，作用在初期支護結(jié)構(gòu)上的壓力較小，錨桿和鋼拱架產(chǎn)生的變形量小得多，尤其是鋼拱架，最大變形僅為Ⅳ類圍巖的60%左右。因此，對于Ⅴ類圍巖，初期支護作用效果較好，但在永久性襯砌未完成前仍應密切關(guān)注鋼拱架變形，尤其是拱腰處的壓屈變形。

總體來看，在最大上覆壓力工況下，由于Ⅴ類圍巖隧洞埋深普遍較小，圍巖壓力較小，原本不穩(wěn)定的隧洞在初支作用下穩(wěn)定性顯著提高，考慮到圍巖應力作用在初支上的時間效應，在施工的短期內(nèi)可以保證圍巖整體穩(wěn)定。但是，需要密切監(jiān)控鋼拱架的變形狀態(tài)及速率，避免出現(xiàn)壓屈破壞，并在產(chǎn)生較大變形前完成永久襯砌[5]。這樣實施：一方面可以充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，同時能夠保證圍巖的長期穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

隧洞開挖后圍巖約束作用減小，軟碎巖體變形參數(shù)顯著劣化，圍巖穩(wěn)定性顯著降低。合理、及時的初期支護措施能夠有效提高圍巖的環(huán)向約束作用，從而提高圍巖的穩(wěn)定性，對保證水工程隧洞的安全施工具有重要的意義。