弱膠結(jié)軟巖水工隧洞力學(xué)參數(shù)反演及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

侯欽禮 張雨霆 孫海清

摘要：

巴基斯坦卡洛特水電站是首個(gè)完全使用中國(guó)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的境外水電站。該電站所在區(qū)域的弱膠結(jié)軟巖具有成巖時(shí)間較晚、膠結(jié)性能較差、強(qiáng)度較低、易風(fēng)化和水巖相互作用顯著等特性，位于此類(lèi)地層的引水隧洞成洞性、工程圍巖穩(wěn)定性值得重點(diǎn)關(guān)注。基于工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了引水隧洞圍巖力學(xué)參數(shù)反饋分析。結(jié)果表明：隧洞圍巖雖為弱膠結(jié)性質(zhì)，但反演獲得的圍巖力學(xué)參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，隧洞的安全性也可以得到保證。經(jīng)分析，認(rèn)為主要原因是工程采用以“預(yù)先控水-及時(shí)封閉”為核心的弱膠結(jié)軟巖地層隧洞設(shè)計(jì)支護(hù)理念，有效避免了地下水對(duì)泥巖的弱化影響，較好維持了圍巖的力學(xué)性能。研究成果可為類(lèi)似工程提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：

弱膠結(jié)軟巖； 水工隧洞； 圍巖； 參數(shù)反演； 地下水； 卡洛特水電站； 巴基斯坦

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV671

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.046

0 引 言

當(dāng)前以及未來(lái)一段時(shí)期，中國(guó)將建設(shè)一大批水電站和抽水蓄能電站，這些工程建設(shè)需要在巖體中開(kāi)挖修建大量的水工隧洞。水工隧洞往往具有線路長(zhǎng)、區(qū)域廣、涉及地質(zhì)單元多的特點(diǎn)，不可避免地要穿越地質(zhì)條件不利的巖層。弱膠結(jié)軟巖具有成巖時(shí)間較晚、膠結(jié)性能較差、強(qiáng)度較低、易風(fēng)化和水巖相互作用顯著的特性，在此類(lèi)地層中建設(shè)水工隧洞時(shí)，開(kāi)挖卸荷作用易改變圍巖性狀，促使地下水向開(kāi)挖面匯集，引發(fā)圍巖弱化和承載力降低，不利于洞室穩(wěn)定，該工程現(xiàn)象已被多個(gè)研究證實(shí)。張安斌等［1-5］對(duì)不同含水狀態(tài)的泥質(zhì)粉砂巖開(kāi)展了單、三軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)、聲波測(cè)試和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，從不同的試驗(yàn)角度揭示了含水導(dǎo)致泥質(zhì)粉砂巖軟化、強(qiáng)度和模量減小、變形由突發(fā)脆性向平穩(wěn)延性轉(zhuǎn)化的規(guī)律；李果等［6］發(fā)現(xiàn)泥巖和泥質(zhì)砂巖的軟化系數(shù)會(huì)隨著含水率的增加而減小，且泥巖更易崩解；賀慶豐等［7-9］對(duì)不同含水條件下的弱膠結(jié)砂巖開(kāi)展了單軸壓縮試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著含水率的增大，弱膠結(jié)砂巖在加載前期的非線性及峰后脆性跌落現(xiàn)象更加明顯，峰值強(qiáng)度、彈性模量逐漸減小，且試樣破壞模式逐漸由劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變；趙維生等［10］研究了含水率對(duì)弱膠結(jié)軟巖巷道的影響，發(fā)現(xiàn)含水率增大將導(dǎo)致使圍巖穩(wěn)定性劣化；王秀英等［11］對(duì)弱膠結(jié)砂巖的強(qiáng)度特性研究表明，圍巖開(kāi)挖后暴露時(shí)間越長(zhǎng)，圍巖風(fēng)化越明顯，其內(nèi)摩擦角降低就越明顯。可見(jiàn)，開(kāi)挖后弱膠結(jié)軟巖的風(fēng)化和含水率變化，是造成圍巖承載能力降低的主要原因。

為有效控制弱膠結(jié)軟巖隧洞的圍巖穩(wěn)定性，高發(fā)征［12］提出基于拱架-格柵聯(lián)合支護(hù)的弱膠結(jié)軟巖大變形防治技術(shù)；楊仁樹(shù)等［13］提出了基于高強(qiáng)錨網(wǎng)梁索+噴漿密閉+底板錨注的支護(hù)系統(tǒng)來(lái)控制弱膠結(jié)軟巖底板的隆起；劉坤等［14］研究了易崩解弱膠結(jié)軟巖的失穩(wěn)機(jī)理并提出超前鉆孔卸壓和初噴相結(jié)合的控制技術(shù)；倪紹虎等［15］對(duì)西南某大型電站尾水隧洞工程中突出的軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶，提出了剛性支撐和柔性噴錨支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)形式及方案。這些圍巖穩(wěn)定控制措施多從增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力和適應(yīng)變形能力出發(fā)來(lái)控制圍巖穩(wěn)定，治標(biāo)而不治本，支護(hù)理念較被動(dòng)，且支護(hù)成本較高。

由以上研究成果可知，造成弱膠結(jié)軟巖隧洞圍巖穩(wěn)定劣化的根源，是洞室開(kāi)挖活動(dòng)使巖體暴露于開(kāi)挖面，并改變了地層的賦水狀態(tài)。因此，若在施工開(kāi)挖過(guò)程中降低上述不利因素的影響，可有效規(guī)避驅(qū)使弱膠結(jié)軟巖劣化的外因，進(jìn)一步控制圍巖穩(wěn)定的演化方向，主動(dòng)控制圍巖，達(dá)到治本的效果。

由于施工運(yùn)行階段水工隧洞所處圍巖環(huán)境的不斷變化，為了及時(shí)合理地了解工程穩(wěn)定狀態(tài)，并開(kāi)展進(jìn)一步分析優(yōu)化，需要了解圍巖參數(shù)在賦存環(huán)境變化影響下的實(shí)時(shí)演化過(guò)程，圍巖參數(shù)的反演分析成為工程建設(shè)的關(guān)鍵步驟。結(jié)合具體的工程背景，一些學(xué)者在彈性框架內(nèi)進(jìn)行了圍巖力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比）的反演，田振［16］結(jié)合國(guó)外泥巖水工隧洞案例，采用洞內(nèi)圍巖水平收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行了圍巖彈模和泊松比的反演；劉勇等［17］基于淺埋隧洞上方覆土位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用正交設(shè)計(jì)反分析方法，對(duì)松散土層、注漿加固層和初期支護(hù)的彈性模量進(jìn)行了反演分析；佘遠(yuǎn)國(guó)等［18］利用平面隧洞圍巖位移、應(yīng)力的解析解，依據(jù)參數(shù)可辨識(shí)條件和量測(cè)優(yōu)化布置的最靈敏原則，探討了地下隧洞工程彈性反演參數(shù)的可辨識(shí)性及測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置，并通過(guò)算例針對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)和彈模、泊松比進(jìn)行了反演。

由于工程圍巖在施工建設(shè)過(guò)程中往往經(jīng)歷塑性變形過(guò)程，因此僅對(duì)彈性參數(shù)進(jìn)行分析僅能初步了解圍巖的變形規(guī)律，無(wú)法分析其破壞狀態(tài)，開(kāi)展彈塑性框架內(nèi)的參數(shù)分析顯得尤為重要。盧斌強(qiáng)［19］、王海［20］等采用黃金分割法和有限差分?jǐn)?shù)值方法，對(duì)隧洞圍巖的彈性模量和黏聚力開(kāi)展了位移反分析；張爭(zhēng)等［21］采用現(xiàn)場(chǎng)收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值分析方法，反演獲得了符合工程實(shí)際的圍巖參數(shù)；張九丹等［22］采用并行遺傳算法，對(duì)應(yīng)力-溫度-滲流多場(chǎng)耦合作用下的隧洞圍巖參數(shù)和外水頭進(jìn)行反演分析，得到了更接近實(shí)際的反演效果；張海洋等［23］采用數(shù)值模型模擬了木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井試驗(yàn)洞的開(kāi)挖蠕變過(guò)程，建立并驗(yàn)證了隧道宏觀變形特征值與圍巖力學(xué)計(jì)算參數(shù)之間的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反演得到了炭質(zhì)板巖的塑性及蠕變力學(xué)參數(shù)；何殷鵬等［24］提出了一種融合多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的智能反演模型與分析方法，通過(guò)圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)位移的參數(shù)靈敏性分析分別針對(duì)彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角四種不同的反演目標(biāo)，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的智能融合模型；夏怡［25］采用自行編制的改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，通過(guò)粒子群優(yōu)化算法確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層神經(jīng)元的數(shù)量，并基于隧洞實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)對(duì)硬土彈塑性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演；張順?lè)澹?6］針對(duì)西甘池隧洞施工項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)隧洞圍巖變形資料，反演了工程區(qū)圍巖的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力；汪啟龍等［27］對(duì)長(zhǎng)期浸水隧洞圍巖的力學(xué)參數(shù)開(kāi)展了分析研究，根據(jù)浸水前/后的圍巖變形數(shù)據(jù)，反演了圍巖物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步對(duì)工程穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，浸水后圍巖力學(xué)參數(shù)有不同程度劣化，對(duì)工程整體穩(wěn)定性影響較大；陳方方［28］、劉乃飛［29］等基于復(fù)變理論提出了一種隧洞圍巖彈塑性參數(shù)反演的方法，將監(jiān)測(cè)位移曲線分為彈性和塑性?xún)刹糠?，基于彈性解?gòu)建了隧洞圍巖彈性參數(shù)的反演理論，基于隧洞開(kāi)挖的應(yīng)力釋放規(guī)律改進(jìn)了圍巖強(qiáng)度參數(shù)的反演評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證；何勇軍等［30］歸納總結(jié)了輸水隧洞工程施工和運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容和要求，指出“圍巖收斂位移是隧洞開(kāi)挖后最直接的響應(yīng)之一，是了解圍巖體變形性質(zhì)的基礎(chǔ)信息、評(píng)價(jià)穩(wěn)定性態(tài)的依據(jù)，也是反演力學(xué)參數(shù)的基本依據(jù)”。

綜上可見(jiàn)，盡管不同學(xué)者采用了多種不同的智能算法進(jìn)行反演分析，但根據(jù)圍巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行圍巖彈塑性力學(xué)參數(shù)反演已經(jīng)是相關(guān)研究人員公認(rèn)的較為合理的工程穩(wěn)定性分析方法。據(jù)此，本文依托巴基斯坦卡洛特（Karot）水電站引水隧洞的施工全過(guò)程，通過(guò)分析弱膠結(jié)地層的賦水狀態(tài)和圍巖性狀等因素，初步評(píng)價(jià)含水率對(duì)弱膠結(jié)軟巖力學(xué)性能的影響，并根據(jù)隧洞圍巖變形開(kāi)展力學(xué)參數(shù)反分析，通過(guò)工程措施效果和圍巖參數(shù)分析，進(jìn)一步明確弱膠結(jié)軟巖地層隧洞支護(hù)理念。

1 工程概況

卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省吉拉姆（Jhelum）河、卡洛特橋上游1.75 km處。水庫(kù)正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫(kù)容16 450萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量720 MW。電站采用地面廠房方案，引水發(fā)電建筑物主要有進(jìn)水口、引水隧洞、上游調(diào)壓室、地面廠房和地面升壓站等組成。

電站引水隧洞采用一機(jī)一洞布置，共4條，洞軸線間距27～35 m，洞徑9.5 m，最長(zhǎng)558.56 m，上平段埋深40～70 m，下平段埋深68～75 m。引水隧洞圍巖巖性主要為厚層-巨厚層狀砂巖、薄-中厚層粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖或呈不等厚互層狀，巖性復(fù)雜。隧洞區(qū)巖層傾向95°～105°，傾角7°～10°。隧洞區(qū)地表未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層，主要有3組裂隙發(fā)育于厚層砂巖中，一般短小，貫通性結(jié)構(gòu)面不發(fā)育；鉆孔揭露巖體完整-較完整。輸水線路的典型工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同巖性的巖石開(kāi)展了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，揭示了弱膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖、砂巖的低密度、高含水率、高吸水率、高孔隙率、弱抗風(fēng)化能力、低強(qiáng)度和弱膨脹性等典型物理力學(xué)性質(zhì)，并得到了其典型物理力學(xué)參數(shù)取值，見(jiàn)表1。可知，對(duì)于弱膠結(jié)的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和中砂巖，遇水前后圍巖的力學(xué)性能有較大程度的降低，強(qiáng)度最大降低幅度達(dá)55.6%。在工程建設(shè)過(guò)程中，為了有效保護(hù)圍巖的承載能力，提出了以“預(yù)先控水-及時(shí)封閉”為核心的弱膠結(jié)軟巖地層隧洞支護(hù)理念，洞室開(kāi)挖前，對(duì)圍巖進(jìn)行高壓阻水灌漿，實(shí)現(xiàn)圍巖的預(yù)先控水，并通過(guò)監(jiān)測(cè)涌水量檢驗(yàn)阻水效果，洞室開(kāi)挖后，及時(shí)施作全斷面系統(tǒng)錨桿和噴層，保證圍巖的及時(shí)封閉，并在隧洞開(kāi)挖完成后施加混凝土襯砌。

2 參數(shù)反演分析方法

為了充分掌握引水隧洞圍巖在施工全過(guò)程中的演化規(guī)律，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用彈塑性仿真反分析方法進(jìn)行反

演［28］，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)引水隧洞的圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反分析得到圍巖力學(xué)參數(shù)，掌握工程支護(hù)措施作用下圍巖的真實(shí)力學(xué)狀態(tài)，并進(jìn)一步對(duì)工程穩(wěn)定性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。本研究采用的反分析主要思路為：將工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的圍巖變形分為彈性變形和塑性變形兩部分，彈性變形部分可通過(guò)彈性框架下圍巖變形的解析解進(jìn)行圍巖彈性參數(shù)（彈性模量、泊松比）的反演分析，塑性變形部分可通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行圍巖強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力、內(nèi)摩擦角）的反演分析。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是評(píng)價(jià)反演分析效果的直觀指標(biāo)，本研究采用最小二乘法來(lái)確定目標(biāo)函數(shù)，具體形式為

f（x）=∑ni=1［uci（x）-umi］2（1）

式中：f（x）為目標(biāo)函數(shù);x為待反演變量;uci為測(cè)點(diǎn)i的位移計(jì)算值;umi為測(cè)點(diǎn)i的位移實(shí)測(cè)值;n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

反分析的目的就是通過(guò)變量的優(yōu)化搜索，不斷分析計(jì)算測(cè)點(diǎn)處位移，使得目標(biāo)函數(shù)f（x）取得最小值，即可得到最接近工程實(shí)際的變量x。在變量搜索過(guò)程中，可以采用區(qū)間取半搜索法或黃金分割搜索法。

2.2 彈性參數(shù)反分析方法

無(wú)支護(hù)圓形洞室圍巖變形的彈性解析解［31］式（2）～（3）可以代入不同測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到圍巖的彈性參數(shù)。

u=Pr204Gr（1+λ）+（1-λ）4-4μ-r20r2cos2θ（2）

v=-Pr204Gr（1-λ）（2-4μ）+r20r2sin2θ（3）

式中：u為測(cè)點(diǎn)徑向位移，m;v為環(huán)向位移，m;P為遠(yuǎn)場(chǎng)豎向應(yīng)力，MPa;λ為遠(yuǎn)場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù);r0為洞室開(kāi)挖半徑，m;r為測(cè)點(diǎn)與洞室圓心的距離，m;G為圍巖的剪切模量，GPa;μ為圍巖泊松比;θ為測(cè)點(diǎn)與洞室圓心連線與豎直面的夾角，（°）。

由于公式中各變量的耦合作用，將拱頂和拱腰的變形解析解進(jìn)行單獨(dú)分析，拱頂和拱腰洞壁圍巖的徑向位移分別為

uθ=0°=Pr04G［4-2λ-4μ（1-λ）］（4）

uθ=90°=Pr04G［4λ-2+4μ（1-λ）］（5）

式中：uθ=0°為拱頂圍巖徑向位移，m;

uθ=90°為拱腰洞壁圍巖徑向位移，m。

二者對(duì)比可以看出，拱頂和拱腰洞壁圍巖的徑向位移之比與彈性模量無(wú)關(guān)，僅與遠(yuǎn)場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)和泊松比相關(guān)。因此，可以通過(guò)拱頂和拱腰洞壁圍巖的位移之比計(jì)算得到泊松比，進(jìn)一步計(jì)算得到圍巖彈性模量。

2.3 強(qiáng)度參數(shù)反分析方法

工程中采用的巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則最廣泛的往往是Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，其強(qiáng)度參數(shù)主要指圍巖的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，其初始值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得。但由于工程不同時(shí)刻、不同部位圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境、滲流環(huán)境均不相同，導(dǎo)致圍巖時(shí)刻變化的力學(xué)參數(shù)與圍巖的宏觀變形呈現(xiàn)高度的不均勻性和非線性，一般來(lái)說(shuō)，基本無(wú)法采用解析的方法來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)的反演。因此，項(xiàng)目結(jié)合有限差分?jǐn)?shù)值分析方法（FLAC3D），通過(guò)構(gòu)建工程三維模型，還原洞室圍巖的復(fù)雜賦存環(huán)境，并采用取半搜索法進(jìn)行模型參數(shù)的調(diào)整，通過(guò)計(jì)算圍巖變形規(guī)律，對(duì)比得到不同參數(shù)組合下的目標(biāo)函數(shù)取值，進(jìn)一步確定最優(yōu)的強(qiáng)度參數(shù)反演結(jié)果。

3 圍巖力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

3.1 反演基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4號(hào)引水隧洞在施工過(guò)程中布置了2個(gè)收斂監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面在拱頂、拱腰和拱座位置埋設(shè)3套多點(diǎn)位移計(jì)，以監(jiān)測(cè)不同位置、不同深度圍巖（孔口、3 m、8 m）的變形發(fā)展情況，其多點(diǎn)位移計(jì)布置信息如表2所列。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，4號(hào)引水隧洞圍巖多點(diǎn)位移計(jì)的最大累計(jì)位移量為14.35 mm（M12DT），蓄水后的累計(jì)增幅約0.62 mm，變幅較小，其全階段變化過(guò)程曲線如圖2所示；其他測(cè)點(diǎn)的位移量均小于8 mm，變幅較小，變化趨勢(shì)基本穩(wěn)定。所有測(cè)點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所列。

3.2 彈性參數(shù)反演結(jié)果

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，在洞室開(kāi)挖和運(yùn)行過(guò)程中，圍巖變形基本可分為施工階段的瞬時(shí)彈性變形和應(yīng)力調(diào)整階段的塑性變形，以M12DT為例，可初步確定：施工階段孔口圍巖變形為11.15 mm，其中彈性變形6.71 mm，塑性變形4.44 mm，施工結(jié)束后，圍巖賦存環(huán)境逐步恢復(fù)，產(chǎn)生塑性變形2.13 mm。蓄水后，由于工程圍巖應(yīng)力環(huán)境改變，產(chǎn)生彈性變形1.13 mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和2.2節(jié)方法，可以反演得到施工期圍巖中粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的彈性模量和泊松比分別為E=3.22 GPa、 μ=0.30，蓄水前后圍巖中粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的彈性模量和泊松比分別為E=3.15 GPa、 μ=0.31。

對(duì)比可以看出，工程施工完成后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的圍巖應(yīng)力調(diào)整和環(huán)境恢復(fù)，圍巖的彈性參數(shù)略有變化，但并不顯著，表明在該段時(shí)間內(nèi)圍巖狀態(tài)并未發(fā)生明顯的改變，說(shuō)明在合理的灌漿、支護(hù)等工程措施作用下，外部環(huán)境并未對(duì)圍巖形狀產(chǎn)生顯著的劣化影響。

3.3 強(qiáng)度參數(shù)反演結(jié)果

采用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法，構(gòu)建工程三維數(shù)值模型，如圖3所示，水平方向跨度為210 m，鉛直向跨度為130 m，共剖分了8 454個(gè)單元和17 240個(gè)節(jié)點(diǎn)。其地層取自上游管道的典型斷面，地層結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)值模型計(jì)算時(shí)，地表表面自由，除底部為固定約

束外，其他各面均為法向約束。圍巖體力學(xué)模型采用帶拉伸截止限的理想彈塑性Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，襯砌單元采用彈性模型，根據(jù)C25混凝土標(biāo)準(zhǔn)，彈性模量取28 GPa，泊松比取0.167。

研究采用取半搜索法對(duì)圍巖中粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，考慮到內(nèi)摩擦角φ的影響，本研究中取摩擦系數(shù)，即tanφ值，進(jìn)行取半搜索，并保持黏聚力c和摩擦系數(shù)tanφ與初始值比例的一致性。對(duì)圍巖參數(shù)進(jìn)行賦值后，計(jì)算工程圍巖從施工到運(yùn)行的全過(guò)程，并提取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的位移計(jì)算結(jié)果，典型圍巖變形計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，進(jìn)一步計(jì)算不同方案的目標(biāo)函數(shù)值，具體計(jì)算方案和結(jié)果如表4所列。

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著參數(shù)搜索范圍的不斷縮小，目標(biāo)函數(shù)逐漸趨近于最小值，其變化曲線如圖6所示。

分析曲線規(guī)律可以得出，當(dāng)黏聚力c=0.46 MPa，內(nèi)摩擦角φ=27.7°時(shí)，目標(biāo)函數(shù)取得最小值，表明此

時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)變形結(jié)果最接近，即最符合當(dāng)

前圍巖力學(xué)性能的強(qiáng)度參數(shù)取值為黏聚力c=0.46 MPa，內(nèi)摩擦角φ=27.7°。與設(shè)計(jì)值相比，該值相較設(shè)計(jì)值略大，表明在當(dāng)前狀態(tài)下，圍巖的力學(xué)性能優(yōu)于設(shè)計(jì)參考狀態(tài)，工程整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。此外，也可以從側(cè)面反映出，工程采用以“預(yù)先控水-及時(shí)封閉”為核心的弱膠結(jié)軟巖地層隧洞支護(hù)理念，在保障工程圍巖力學(xué)性能方面發(fā)揮出了較好作用，有效阻隔了地下水對(duì)圍巖的劣化，保障了圍巖的承載能力。

4 結(jié) 論

針對(duì)巴基斯坦卡洛特水電站引水隧洞工程的弱膠結(jié)圍巖工程力學(xué)性能開(kāi)展研究，采用彈塑性仿真反分析方法對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，揭示了弱膠結(jié)圍巖遇水劣化的性質(zhì)，其強(qiáng)度最大降低幅度達(dá)55.6%，工程中基于此提出了以“預(yù)先控水-及時(shí)封閉”為核心的弱膠結(jié)軟巖地層隧洞支護(hù)理念。

（2）基于引水隧洞位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了圍巖力學(xué)參數(shù)的彈塑性仿真反分析，得到了粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的彈性模量和泊松比，施工期分別為E=3.22 GPa、μ=0.30，蓄水前后分別為E=3.15 GPa、μ=0.31，變化并不顯著。

（3）基于當(dāng)前的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反演得到了粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的黏聚力和內(nèi)摩擦角，分別為c=0.46 MPa、φ=27.7°，較設(shè)計(jì)值略大，表明當(dāng)前狀態(tài)的圍巖力學(xué)性能優(yōu)于設(shè)計(jì)參考狀態(tài)，工程整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，也表明了工程支護(hù)理念的合理性和有效性。

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（編輯：唐湘茜）