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    高地應(yīng)力軟巖隧洞開挖擾動特征與規(guī)律研究

    2021-04-09 09:08:34職承杰李建賀張傳健
    水利水電快報 2021年3期

    職承杰 李建賀 張傳健

    摘要:高地應(yīng)力軟巖隧洞由于地應(yīng)力高,軟巖強(qiáng)度及變形模量低,變形和破壞現(xiàn)象十分突出。以滇中引水工程香爐山隧洞為依托,研究了不同洞室形狀和地應(yīng)力場條件下,高地應(yīng)力軟巖隧洞圍巖的變形和破壞特征。研究表明:隧洞開挖后,圍巖應(yīng)力、變形、破裂范圍及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均呈分區(qū)分布特征,大主應(yīng)力傳遞輪廓和圍巖變形輪廓基本呈垂直關(guān)系。對于高地應(yīng)力軟巖隧洞,“諧洞”并不是合理的洞形,“諧洞”雖然使切向應(yīng)力在洞室邊界上均勻分布,但切向應(yīng)力向圍巖內(nèi)部的衰減速率沿短半軸方向(大曲率半徑)較沿長半軸方向(小曲率半徑)要小得多,導(dǎo)致軟巖隧洞在高地應(yīng)力條件下破裂范圍更大;與此理念相反,通過在小主應(yīng)力方向上設(shè)置小曲率半徑,可更快形成高圍壓抑制圍巖剪切破裂的進(jìn)一步發(fā)展,減少圍巖的破裂范圍和變形程度。

    關(guān)鍵詞:軟巖隧洞開挖;破裂范圍;圍巖變形;洞室形狀;香爐山隧洞;滇中引水工程

    中圖法分類號:TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.006

    文章編號:1006 - 0081(2021)03 - 0034 - 08

    隧洞開挖會打破巖體系統(tǒng)原有平衡,擾動周邊圍巖,使其應(yīng)力場發(fā)生改變,并產(chǎn)生位移、破裂和失穩(wěn)[1]。圍巖開挖擾動的影響因素較多,一般可分為兩類:一類是地質(zhì)因素,包括原巖應(yīng)力場、巖體結(jié)構(gòu)、巖石組成及其物理化學(xué)性質(zhì)等;另一類是工程因素,包括開挖方式、支護(hù)時機(jī)、隧洞形狀和軸比、支護(hù)剛度等。前人在圍巖擾動特征及損傷范圍方面做了大量的研究工作,研究熱點集中在:隧洞開挖擾動特征與損傷演化[2-3]、開挖擾動范圍與原位測試[4-5]、開挖擾動區(qū)內(nèi)圍巖力學(xué)性質(zhì)的改變[6-7]等。上述研究為認(rèn)識隧洞開挖擾動特征與規(guī)律奠定了良好的基礎(chǔ)。但由于高地應(yīng)力軟巖隧洞變形破壞規(guī)律復(fù)雜,且受多種影響因素制約,其開挖擾動特征與規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。

    洞室開挖形狀對誘發(fā)應(yīng)力及圍巖擾動有直接影響。在這方面,于學(xué)馥[8]提出“軸變論”概念,認(rèn)為橢圓洞室軸比對圍巖變形和破裂起控制作用,當(dāng)橢圓長軸與原位應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向一致,并滿足等應(yīng)力軸比條件時,洞室周邊均勻受壓;如果橢圓長軸不能與最大主應(yīng)力方向完全一致,可以退而求次,即確定無拉應(yīng)力軸比,軸變論適合對某一既定應(yīng)力場調(diào)整開挖體的形狀。Richards等[9]也曾討論過該問題,稱洞周應(yīng)力均勻分布的開挖體形狀為“諧洞”。加拿大地下試驗室(URL)在洞室形狀與圍巖擾動方面進(jìn)行了大量的研究[7,10],通過在ESS(Excavation Stability Study)試驗洞群開挖10個不同幾何斷面和方位的洞室,并進(jìn)行原位試驗與數(shù)值分析,Read等[7]認(rèn)為橢圓長軸平行于最大主應(yīng)力方向較平行于水平方向時更加穩(wěn)定(較小的壓應(yīng)力集中),且橢圓軸比越接近原位應(yīng)力比時,圍巖越穩(wěn)定,這表明軸變論或“諧洞”的理念對于圍巖條件較好(邊界應(yīng)力強(qiáng)度比相對較低)的洞室斷面設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

    但對于高地應(yīng)力軟巖隧洞,“諧洞”是否是最佳的洞室形狀呢?雖然“諧洞”使切向應(yīng)力在洞室邊界上保持為常數(shù),但是切向應(yīng)力向圍巖內(nèi)部的衰減速率沿大曲率半徑方向比沿小曲率半徑方向要小得多,從應(yīng)變能累積角度考慮,“諧洞”作為開挖體形狀可能得不到最穩(wěn)定的條件。鑒于此,本文以滇中引水工程香爐山深埋軟巖隧洞為依托,對不同地應(yīng)力場和不同洞室形狀下圍巖的變形和破壞特征進(jìn)行進(jìn)一步探討。

    1 工程背景及算例分析

    滇中引水工程是國務(wù)院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程中的標(biāo)志性工程,其輸水總干渠長度664 km,其中隧洞長度612 km。隧洞沿線地質(zhì)條件十分復(fù)雜,面臨著高地應(yīng)力、高外水壓力、突水突泥、軟巖大變形、穿區(qū)域性活動斷裂等重大工程地質(zhì)問題,工程規(guī)模和工程技術(shù)難度均居世界前列。滇中引水工程香爐山隧洞地質(zhì)剖面見圖1。

    滇中引水工程輸水隧洞穿越以軟巖為主的洞段累計長度達(dá)208.3 km,占隧洞總長的35%,經(jīng)預(yù)測,可能產(chǎn)生軟巖大變形的洞段累計長度約為88.85 km,尤以香爐山隧洞高地應(yīng)力軟巖大變形問題最為嚴(yán)峻。軟巖大變形給深埋長大隧洞工程的建設(shè)及運行提出了極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

    本文以滇中引水工程香爐山隧洞軟巖洞段為例,分析隧洞的開挖擾動規(guī)律。計算洞段埋深600 m,隧洞的開挖半徑為4.9 m,初始地應(yīng)力場見表1,圍巖力學(xué)參數(shù)見表2,支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖2。

    基于上述巖體力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力場和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),采用Phase2軟件進(jìn)行計算分析,計算結(jié)果如圖3~6所示。

    從圖3~6可以看出,隧洞開挖后,洞周圍巖最大變形為97.5 mm,發(fā)生在隧洞邊墻中部;塑性區(qū)以剪切破裂為主,深度3.5~4.5 m。洞周圍巖第一主應(yīng)力較大值(即壓應(yīng)力較大值)出現(xiàn)在兩側(cè)邊墻塑性區(qū)與彈性區(qū)交界部位,量值為-24.0 MPa,距臨空面約5 m。臨空面附近淺表層圍巖的第一主應(yīng)力量值相對 較小,壓應(yīng)力一般在-10 MPa以內(nèi)。洞周圍巖第三主應(yīng)力分布規(guī)律則是距臨空面越近,量值越小,開挖面附近淺表層圍巖第三主應(yīng)力量值在

    -2.5 MPa左右,基本沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。初期支護(hù)中,錨桿局部屈服,鋼拱架平均應(yīng)力為290 MPa,其結(jié)構(gòu)內(nèi)力基本在安全系數(shù)為1.4的包絡(luò)線內(nèi);噴混凝土強(qiáng)度不足,發(fā)生破壞,洞周噴混凝土安全系數(shù)均小于1.0。

    此外,從圖3、4中還以發(fā)現(xiàn),應(yīng)力集中區(qū)沿著垂直初始大主應(yīng)力的方向延展,而圍巖變形區(qū)域則是沿著平行于初始大主應(yīng)力的方向延展。大主應(yīng)力傳遞輪廓和圍巖變形輪廓基本呈垂直關(guān)系,表明隧洞彈性區(qū)圍巖主要加載部位和主要變形部位不一致,主要加載部位(應(yīng)力高度集中區(qū))變形較小,這將在下節(jié)中進(jìn)一步討論。

    2 應(yīng)力場對圍巖開挖擾動的影響

    圍巖開挖擾動的影響因素較多,如地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力場、開挖方式等。限于篇幅,本文僅討論初始應(yīng)力場及洞室形狀對圍巖開挖擾動特征的影響。

    上節(jié)算例中,初始應(yīng)力場在隧洞橫斷面內(nèi)的側(cè)壓力系數(shù)接近1(約1.1),圍巖變形和破裂范圍的分布特征并不明顯。為更好研究這個問題,以上節(jié)算例為基礎(chǔ),計算以下幾種工況(側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ=0.5,1.0,2.0,2.5)。為便于總結(jié)規(guī)律,將初始應(yīng)力場考慮為水平向和豎直向,不同應(yīng)力場下圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)如圖7~10所示。

    根據(jù)計算結(jié)果可以看出,隨初始應(yīng)力的不同,圍巖擾動應(yīng)力場表現(xiàn)為顯著的分區(qū)特征,λ>1時,大主應(yīng)力集中區(qū)域主要位于頂拱和底拱;λ<1時,應(yīng)力集中區(qū)主要位于兩側(cè)邊墻,其分布規(guī)律可以總結(jié)為:垂直于初始大主應(yīng)力方向圍巖應(yīng)力集中,平行于初始大主應(yīng)力方向圍巖應(yīng)力卸荷。隨側(cè)壓力系數(shù)λ逐步增大,頂拱和底拱部位從卸荷狀態(tài)逐步過渡為應(yīng)力集中狀態(tài),且應(yīng)力集中區(qū)域不斷擴(kuò)大。

    圍巖塑性區(qū)形態(tài)隨側(cè)壓力系數(shù)λ不同而有明顯變化。當(dāng)λ=0.5時,塑性區(qū)主要位于隧洞邊墻兩側(cè),呈鐮刀形;λ=1.0時,塑性區(qū)圍繞隧洞成環(huán)形分布;λ=2.0時,塑性區(qū)范圍遷移到隧洞頂拱和底拱;λ=2.5時,塑性區(qū)呈X形分布,沿45°方向斜伸到圍巖深部。因此,圍巖的剪切破壞,一般從平行于初始大主應(yīng)力方向的洞壁開始,并延展到擾動應(yīng)力集中區(qū)的邊界;且沿著垂直初始大主應(yīng)力方向破裂范圍較大,平行于初始大主應(yīng)力方向破裂范圍較小。

    不同初始應(yīng)力場下圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力如圖11~14所示,圖中位移單位為m,錨桿軸力單位為MN。

    從圖11~14可以得出,圍巖變形輪廓主要沿著平行于初始大主應(yīng)力的方向延展,與最大主應(yīng)力傳遞輪廓基本呈垂直關(guān)系。隧洞彈性區(qū)圍巖主要加載部位和主要變形部位不一致,主要加載部位(應(yīng)力高度集中區(qū))變形較小,而卸荷區(qū)域變形較大。對于錨桿受力,應(yīng)力集中區(qū)域下部錨桿軸力較?。ūM管該部位塑性區(qū)范圍較大),而卸荷變形區(qū)錨桿軸力較大,錨桿軸力沿錨桿全長非均勻分布,最大軸力位于錨桿中性點處。鋼拱架主要承擔(dān)軸向壓力,當(dāng)λ=0.5時,鋼拱架軸力為0.64~0.73 MN;當(dāng)λ=1.0時,鋼拱架軸力為0.99~1.02 MN;當(dāng)λ=1.5時,鋼拱架軸力為1.30~1.45 MN;側(cè)壓力系數(shù)越大,初始應(yīng)力越高,鋼拱架軸力則越大。

    基于以上研究結(jié)論,可針對圍巖不同區(qū)域進(jìn)行分區(qū)調(diào)控。加載區(qū)圍巖(垂直初始大主應(yīng)力方向)發(fā)生剪切破裂,應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移,因此需注重提高該區(qū)域圍巖強(qiáng)度(提高c,φ值)或提高支護(hù)抗力;卸荷區(qū)圍巖(平行于初始大主應(yīng)力方向)破裂范圍較小,變形區(qū)輪廓向圍巖深部延伸,應(yīng)注重控制該區(qū)域圍巖變形(提高圍巖或支護(hù)的剛度)。圖11~14中,錨桿的強(qiáng)度在卸荷變形區(qū)得到較大程度的發(fā)揮,而在垂直初始大主應(yīng)力方向的加載部位及其下方塑性區(qū),錨桿強(qiáng)度未得到有效應(yīng)用,按分區(qū)調(diào)控觀點,可在卸荷變形區(qū)加密布置短錨桿,加載區(qū)則可布置少量長錨桿(穿過塑性破裂區(qū))。但需要說明的是,數(shù)值計算中對錨桿的考慮尚不全面,一般而言,配置錨桿后,不僅可以通過受拉限制圍巖的徑向位移(支撐作用,增加整體剛度),而且圍巖強(qiáng)度也會有一定程度的提高(加固作用,提高c,φ值),有限元軟件中的錨桿單元,通常只能反映錨桿的支撐作用,而不能反映錨桿的加固作用;本節(jié)的錨桿分區(qū)調(diào)控是從錨桿約束圍巖徑向位移的角度出發(fā),而當(dāng)考慮錨桿的加固作用后,則會減少加載區(qū)下方的塑性破裂范圍。因此,本文提出的圍巖支護(hù)分區(qū)調(diào)控只是初步設(shè)想,具體應(yīng)結(jié)合工程巖體賦存條件和現(xiàn)場監(jiān)測反饋情況開展進(jìn)一步研究。

    3 洞室形狀對圍巖開挖擾動的影響

    上節(jié)討論了不同初始應(yīng)力場下,洞室圍巖應(yīng)力、變形和破裂的分布規(guī)律,但對于實際工程,初始應(yīng)力場是客觀存在的,取決于洞室埋置深度和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用;而工程開挖因素則是人為的,比如隧洞軸線方位、形狀、開挖規(guī)模等,工程師只能根據(jù)某一既定應(yīng)力場調(diào)整洞室的形狀和方位,鑒于此,本節(jié)探討洞室形狀對圍巖誘發(fā)應(yīng)力及變形破裂的影響。

    一般而言,橢圓形是各種形狀洞室應(yīng)力分布及其變化規(guī)律的代表性形狀,Jaeger[11]給出了橢圓洞室應(yīng)力分布的解析解(彈性解),這在數(shù)值計算方法推廣之前,對巖石力學(xué)的早期發(fā)展起過重要的作用。根據(jù)理論解答,當(dāng)洞室斷面的軸比與原位應(yīng)力比相同時,那么橢圓形洞室可期望得到一個最佳的應(yīng)力狀態(tài)(即邊界應(yīng)力均勻分布),這也是軸變論[8]和“諧洞”[9]理念的基本依據(jù)。

    對于中低應(yīng)力場或圍巖條件較好情況下(邊界應(yīng)力強(qiáng)度比相對較低),軸變論或“諧洞”的理念對洞室斷面設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。如Read等[7,10]結(jié)合加拿大地下試驗室ESS試驗洞群進(jìn)行的相關(guān)分析,如圖15所示。Read認(rèn)為橢圓長軸平行于第一主應(yīng)力方向較平行于水平方向更為穩(wěn)定,即橢圓洞室高寬比越接近初始應(yīng)力側(cè)壓比,邊界上壓應(yīng)力集中程度越?。▓D15(a))。而右圖洞室高寬比相對偏離初始側(cè)壓比,洞室邊界最大壓應(yīng)力為125 MPa,超過了原位巖體強(qiáng)度(120 MPa),形成了V形破壞區(qū)。

    但對于高地應(yīng)力軟巖隧洞,“諧洞”理念是否適用有待商榷。當(dāng)洞室高寬比接近初始應(yīng)力場的側(cè)壓比時,雖然邊界切向應(yīng)力集中程度有所減小,但邊界高應(yīng)力的范圍反而加大。筆者曾在Read[7]基礎(chǔ)上分析過不同幾何斷面下洞室邊界的應(yīng)力分布,如圖16所示。

    從圖16中可以分析得出,隨軸比逐步接近原位應(yīng)力比(σ1/σ3=5.45),邊界壓應(yīng)力集中的峰值逐漸降低,但是邊界高應(yīng)力的范圍卻逐漸加大。與此相反,軸比遠(yuǎn)離應(yīng)力比,可以發(fā)現(xiàn)洞室邊界上的壓應(yīng)力集中峰值更大,但是壓應(yīng)力集中的范圍卻大幅減少。從這一點出發(fā),有理由懷疑“諧洞”作為開挖體形狀在高地應(yīng)力下可能得不到最穩(wěn)定的條件,尤其是對于高地應(yīng)力軟巖隧洞,邊界上相對均勻的應(yīng)力分布不能作為洞室設(shè)計的合理基礎(chǔ)。

    “諧洞”雖然切向應(yīng)力在洞室邊界上保持為常數(shù)(基于彈性解),但是切向應(yīng)力向圍巖內(nèi)部的衰減速率沿水平軸方向(大曲率半徑)較沿垂直軸方向(小曲率半徑)要小得多,從應(yīng)變能累積角度考慮,把洞室斷面旋轉(zhuǎn)90°(小曲率半徑布置在小主應(yīng)力方向上),有利于減少塑性破裂區(qū)范圍,進(jìn)而達(dá)到更好的穩(wěn)定狀態(tài)。為印證這一觀點,以上一節(jié)高地應(yīng)力軟巖隧洞算例為基礎(chǔ),埋深600 m,側(cè)壓力系數(shù)λ取1.5。分析兩種工況,工況1為“諧洞”,滿足等應(yīng)力軸比條件,工況2與工況1初始應(yīng)力場相同,但在工況1基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)90°,即把小曲率半徑布置在小主應(yīng)力方向上,兩種工況示意圖如17所示。

    現(xiàn)結(jié)合Phase2有限元軟件,分析兩種工況下圍巖應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律,圍巖力學(xué)參數(shù)和支護(hù)參數(shù)同上一節(jié),橢圓洞室長半軸取5.0 m,短半軸取3.3 m。兩種工況下,圍巖塑性區(qū)計算結(jié)果如圖18所示。

    從圖18可以看出,高地應(yīng)力軟巖條件下,“諧洞”周邊圍巖塑性區(qū)分布不均,沿橢圓洞室短半軸方向塑性區(qū)厚度較大,最大塑性區(qū)半徑約6.4 m;將其旋轉(zhuǎn)90°后,洞周圍巖塑性區(qū)相對均勻,最大塑性區(qū)半徑約5.0 m。從洞周圍巖破裂和穩(wěn)定狀態(tài)來看,后者(小曲率半徑布置在小主應(yīng)力方向)要比“諧洞”更為合適,“軸變論”或“諧洞”理念不適用于深埋高地應(yīng)力軟巖隧洞。工況1、工況2的洞周圍巖應(yīng)力云圖如圖19~22所示。

    從前文分析可知,初始小主應(yīng)力方向是圍巖應(yīng)力集中和剪切破裂產(chǎn)生的主要部位。從圖19~22可以看出,工況1、工況2最大主應(yīng)力σ1集中區(qū)域均位于初始小主應(yīng)力方向上,且工況2(小曲率半徑布置在小主應(yīng)力方向)應(yīng)力集中程度要比工況1(“諧洞”)更高;對于最小主應(yīng)力σ3,均在洞室周邊卸荷,只是沿初始小主應(yīng)力向圍巖深部延伸,工況2中σ3增長的梯度更快,其實質(zhì)上反映了小曲率半徑更容易使圍巖形成高圍壓。綜上可知,“諧洞”在初始小主應(yīng)力方向上,圍壓σ3上升梯度小,進(jìn)而導(dǎo)致剪切破裂充分發(fā)展;而在小主應(yīng)力方向上設(shè)置小曲率半徑(工況2),可更快形成高圍壓抑制剪切破裂進(jìn)一步擴(kuò)展,并將高壓應(yīng)力限制在圍巖深部。

    工況1、工況2的圍巖位移云圖如圖23~24所示。

    從圖23~24可以得出,工況1(“諧洞”)的圍巖變形要比工況2的圍巖變形程度大,工況1圍巖變形最大值為17.8 cm,工況2圍巖變形最大值為14.5 cm。由圖可見,工況1(“諧洞”)破裂范圍和變形程度均比工況2(小曲率半徑布置在小主應(yīng)力方向)大。因此,在高地應(yīng)力軟巖隧洞條件下,“諧洞”并不是最合理的洞形,而通過在小主應(yīng)力方向上設(shè)置小曲率半徑,可更快形成高圍壓抑制圍巖剪切破裂的進(jìn)一步發(fā)展,減少圍巖的破裂范圍和變形程度。

    4 結(jié) 論

    隧洞圍巖擾動應(yīng)力場、變形和破裂范圍研究是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評價和加固支護(hù)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。本文針對高地應(yīng)力軟巖隧洞開挖擾動特征與規(guī)律進(jìn)行探討,形成如下認(rèn)識。

    (1)隧洞開挖后,圍巖擾動應(yīng)力場和形變場呈分區(qū)分布特征。應(yīng)力集中區(qū)沿著垂直初始大主應(yīng)力的方向延展,而圍巖變形區(qū)域則是沿著平行于初始大主應(yīng)力的方向延展;大主應(yīng)力傳遞輪廓和圍巖變形輪廓基本呈垂直關(guān)系,表明隧洞彈性區(qū)圍巖主要加載部位和主要變形部位不一致,主要加載部位(應(yīng)力高度集中區(qū))變形較小,而卸荷區(qū)域變形較大。

    (2)圍巖的剪切破壞,一般從平行于初始大主應(yīng)力方向的洞壁開始,并延展到擾動應(yīng)力集中區(qū)的邊界;且沿著垂直于初始大主應(yīng)力方向的破裂范圍較大,平行于初始大主應(yīng)力方向的破裂范圍較小。對于錨桿受力,應(yīng)力集中區(qū)下部錨桿軸力較?。ūM管該部位塑性區(qū)范圍較大),而卸荷變形區(qū)錨桿軸力較大,因此,可根據(jù)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力對隧洞圍巖進(jìn)行分區(qū)域調(diào)控。

    (3)對于高地應(yīng)力軟巖,“諧洞”并不是合理的洞形。“諧洞”理念源于橢圓洞室理論解,可使切向應(yīng)力在洞室邊界上均勻分布,但切向應(yīng)力向圍巖內(nèi)部的衰減速率沿短半軸方向(大的曲率半徑)較沿長半軸方向(小的曲率半徑)要小得多,導(dǎo)致軟巖隧洞在高地應(yīng)力條件下破裂范圍更大;與此理念相反,通過在小主應(yīng)力方向上設(shè)置小曲率半徑,可更快形成高圍壓抑制圍巖剪切破裂的進(jìn)一步發(fā)展,減少圍巖的破裂范圍和變形程度。

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    (編輯:李 慧)

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