输水隧洞穿越典型断面围岩结构安全分析

徐文秀，沈全喜

(1.广东省粤东三江连通建设有限公司，广州 510013；
2.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541004)

针对我国水资源时空分布不均匀这一难题，国内已经修建了大量的输水工程，TBM输水隧洞[1-5]作为输水工程中重要的组成部分，在整个工程中有着举足轻重的作用。由于输水隧洞一般具有地质构造复杂、线路长、埋深大、地层岩性分布多样等特点，施工工况极为复杂，常常作为整个项目的核心工程。TBM施工作为快速先进的隧洞掘进方式在水工隧洞开挖中的应用日渐广泛。但TBM施工过程中，围岩受力变形较为复杂[6-9]，有限的地质勘测数据可能与实际地层岩性并不完全一致，如果完全按照工程设计进行开挖施工，可能导致围岩实际受力状态超出预期，尤其当输水隧洞穿越断层、软弱夹层、高地应力和高水压等不良地质条件洞段时，经常发生围岩大变形[10]、涌水[11]、坍塌[12]等工程灾害，对生命和财产造成重大损失。围岩的受力状态直接关系到输水隧洞的稳定性和耐久性以及人员和设备的安全。因此，合理地分析不同地质条件下输水隧洞的工作状况，对保证施工安全及输水隧洞安全运行有着重要意义。近年来，国内外已对输水隧洞进行了众多研究，胡昌文等[13]采用上限有限元法，分析了深埋隧道围岩潜在塌落形态和范围与围岩内摩擦角φ，剪胀角ψ和跨度(b/h)的影响关系；
章诚等[14]采用ANSYS /LS-DYNA有限元软件，分析了高地应力环境下深埋隧洞连续爆破开挖过程中围岩应力的演化规律及影响因素；
任喜平等[15]利用弹塑性非线性有限元法对不良地质段的Ⅳ、Ⅴ类围岩输水隧洞的开挖和支护过程进行模拟分析，得到隧洞开挖和初期支护工况下围岩塑性变形规律；
李怀珍等[16]采用弹塑性渗流-应力耦合有限单元法，对某大型输水隧洞TBM开挖过程进行模拟计算，分析了水头压力和开挖预留变形对围岩、管片的受力与变形的影响；
荣晓洋等[17]建立输水隧洞断层破碎带三维有限元数值模型，分析了输水隧洞施工阶段围岩的力学效应，发现在断层破碎带拱脚及其边墙处存在高剪应力区，导致位移大幅增加，使得初期支护的内力提高约1.2～1.3倍；
喻伟等[18]采用弹塑性模型,根据刚度折减法建立三维有限元模型,分析断层对隧道稳定性的影响,并将模拟结果与现场监测结果进行对比分析,验证了数值分析的正确性；
Cao,JT等[19]建立三维物理相似模型，揭示了平硐段支护围岩的演化特征，将围岩变形和裂隙扩展分为四个阶段，分析了围岩应变和管片应力在四个阶段的变化规律；
Zhou,H等[20]利用FLAC3D建立水-力耦合模型，监测施工期间隧道围岩不同方向的位移和孔隙压力，并确定开挖对变形和孔隙压力的影响深度;Kim,D[21]采用考虑大变形的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法和小应变自动重划方法来研究隧道的开挖影响,发现两种方法对隧洞周围开挖破坏区的分析在大小和趋势上是一致的，对于较硬的岩石，隧道周围开挖破坏区往往更大，并且其大小与隧洞直径成正比，而与隧洞的深度成反比。上述研究主要针对某一特定地层岩性进行分析，而对实际开挖过程中地质构造和地层岩性以及地应力、内水压力、渗流场的变化对输水隧洞围岩安全的影响仍需开展研究。

本文针对复杂地层岩性和断裂带深埋输水隧洞在施工和充水运营过程中围岩变形受力，综合考虑开挖过程中地应力和渗流场的变化，采用三维弹塑性有限元法模拟不同地层岩性各个工况下围岩的受力与变形特征，对输水隧洞施工和运营过程中围岩的安全状态进行评估与计算，为输水隧洞的开挖施工和支护设计提供理论指导。

榕江关埠引水工程作为榕江和练江水系的连通纽带，主要任务是针对练江、榕江水环境现状，优化水资源配置，修复水生态，解决练江等河流生态用水问题。本工程由取水口、引水隧洞、加压泵站、高位水池、输水隧洞、出水池、输水明渠和涵管、出口防洪闸等建筑物组成。工程输水线路总长为35.266 km，其中引水盾构管道长约为3.845 km，输水隧洞长约27.709 km，输水渠总长约3.326 km。引水盾构管道及输水隧洞均采用有压重力流的输水方式引水流量为20 m3/s，输水线路采用TBM法为主、钻爆法为辅的施工方法，对TBM法施工段的进、出口150～884 m范围先行采用钻爆法施工，剩余主洞段采用TBM法施工。输水隧洞山体地层岩性主要为燕山2期中粗粒黑云母花岗岩，偶见细粒花岗岩及辉长岩脉。山坡地表大部分为坡积层及全风化土，属弱～中等透水层，沟底为冲洪积层，透水性差异较大，属中等～强透水层。隧洞段地下水位随地形起伏变化，在山脊处，地下水位一般较深，埋深约在15～20 m，在冲沟处，地下水位较浅，埋深约1～3 m。地下水以坡洪积层及全风化带孔隙水为主。工程区内规模较大的断层共发育14条，宽在1～5 m 不等，两侧断层影响带宽约10～50 m不等，与隧洞夹角多为30°～70°，断层带主要发育糜棱岩断层泥、压碎岩、角砾岩、石英等，断层带内偶夹弱风化岩裂隙密集破碎带。

在传统的流固耦合模拟分析中[22-23]，孔隙率和渗透系数是保持不变的，而在实际渗流过程中，由于孔隙流体的压力变化，一方面要引起介质有效应力的变化，由此导致渗透系数和孔隙率的变化；
另一方面，这些变化又会反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。因此有必要考虑孔隙流体在岩土体介质中的流动规律及对岩土体介质本身的变形或者强度造成的影响，即需考虑岩土体介质应力场与渗流场之间的相互耦合作用。

2.1 渗流基本方程

假设岩土体在水力学特性上为连续介质，地下水对围岩和衬砌结构的作用力可用分布在围岩和衬砌上的场力表示，即渗流力。假设水体不可压缩，在岩体中的渗流符合Darcy定律。

根据Darcy定律，在岩体中水流流速可以表示为：

(1)

式中：

φ——固体孔隙率；

ρw——水的密度；

t——时间；

υi——流速矢量。

根据流体流动的动量方程可得Darcy定律：

a 地层开挖前

(2)

式中：

x、y、z——3个渗透主方向；

kx、ky、kz——3个渗透主方向上的渗透系数；

p——孔隙水压力。

加上固体骨架的变形项，经过推导可得：

(3)

式中：

α、Q——Biot系数；

t——时间；

ευ——固体的体积应变。

上式即为多孔介质渗流基本方程的最后形式。方程右边的两项分别表示由于应变和流体压力变化所引起的流体体积变化，方程左边代表由压力梯度和重力作用而引起的流体体积变化。

2.2 渗流—应力耦合方程组

根据上述渗流基本方程,结合力学平衡方程，采用Biot固结理论可得到渗流—应力耦合方程组。Biot理论是以有效应力为基础，考虑力学平衡方程和渗流基本方程的耦合，对于三维问题，单元节点有4个自由度存在，即3个位移自由度和1个孔隙水压力自由度。以下为4自由度耦合控制方程：

(4)

式中：

前三项——力学平衡方程;

u、υ、w——3个主方向上的位移分量;

λ、G——拉梅系数;

∇2——拉普拉斯算子;

γ——土颗粒的容重。

偏微分方程组完整地定义了渗流场—应力场全耦合作用的数学模型，施加一定的边界条件和初始条件，即可求解上述耦合控制方程组，得到结点位移和水压。

3.1 计算模型

以断层和最大埋深段围岩为研究重点，建立典型区域三维地质模型，对隧洞围岩的受力状态和位移量进行细化研究。根据精度的要求，计算范围需大于3倍开挖洞径，故模型尺寸取30 m×30 m×60 m，隧洞位于模型中间。隧洞围岩特性按地层性质不同，采用弹塑性模型的不同参数，岩土体采用Mohr-Coulomb屈服准则。图1为隧洞穿越地区的地层网格计算模型，模型侧面与底面施加法向约束边界，施工期不设定内水压力，运营期施加内水压力。

3.2 初始应力场、渗流场分析

初始地应力场和渗流场是进行洞室开挖后围岩稳定计算分析的基础，分别对断层和最大埋深段围岩初始地应力和渗流分布情况进行研究。采用ABAQUS/standard通用分析模块中提供的流体渗流/应力耦合(Coupled pore fluid flow and stress analysis)本构模型进行分析计算,依据榕江输水隧洞地质勘察资料和相关参考资料确定围岩参数(见表 1)。

表1 TBM隧洞围岩物理力学参数建议值

按照表1赋予岩体基本物理力学参数，得到计算区域的初始地应力场和渗流场。图2、图3分别为最大埋深和断层处初始地应力和渗流场等值线图，可以看出，隧洞最大埋深处地应力为1.057～1.342 MPa，断层处为0.440～0.680 MPa，隧洞最大埋深处孔隙水压力范围在0.240～0.260 MPa；
隧洞断层处孔隙水压力范围在0.180～0.200 MPa，各截面初始地应力基本符合实际，也反映出了山体特征。

a 工况1

a 最大埋深处

a 最大埋深处

在模拟隧洞掘进过程时，采用单元生死功能实现隧洞的开挖模拟，围岩选用摩尔—库伦弹塑性模型模拟其屈服状态。根据实际计算分析的要求，主要考虑施工与充水运营两种工况，拟定以下4种工况，计算工况及荷载组合见表2。

表2 计算工况

4.1 围岩位移

隧洞开挖后由于初始地应力场的改变以及内水压力作用，围岩在四种工况下产生不同的变形量，从表3和图4可以发现：工况1中，隧洞穿越断层时，拱顶向下沉降量1.801 mm，拱底向上抬升量为2.110 mm；
工况2中，在内水压力作用下隧洞拱顶向下沉降量、拱底向上抬升量均有所减小。工况3中，当隧洞穿越最大埋深段时，拱顶向下沉降量为1.803 mm，与工况1拱顶沉降量相对差值仅为0.11%，而拱底向上抬升量为1.450 mm，小于工况1断层处的抬升量，相对差值达到31.28%；
在工况4内水压力作用下，隧洞拱顶和拱底的变形量与工况2表现基本一致，均小于隧洞施工时的变形量。

表3 围岩位移

由图4可见，隧洞周边围岩水平位移的总体趋势为使隧洞径向收敛，但位移量小。就围岩竖向位移而言，充水运营工况略小于施工工况，其原因可能是由于充水运营工况下隧洞内水压力所致。断层段拱顶最大沉降量小于最大埋深段，其原因可能是由于地应力所致。

4.2 围岩塑性区

由图5a可知，断层处围岩在隧洞开挖完成后，隧洞两侧塑性区深度为2.920 m，围岩处于不稳定状态，需要采取加固措施防止围岩坍落；
由图5b可知，最大埋深处围岩在隧洞开挖完成后，隧洞顶拱塑性区深度为8.627 mm，该处地层岩性较好，围岩仍处于稳定状态。

a 工况1

4.3 围岩主应力

图6、图7分别是工况1和工况2围岩最大主应力和最小主应力分布云图。隧洞开挖后，由洞周围岩最大主应力云图(图6a)可知，开挖后围岩仍全为受压区，由洞周围岩最小主应力云图(图6b)可以看出，压应力最大值为7.987 MPa。充水运营后，在内水压力影响下，围岩最大压应力变化不大，由洞周围岩最小主应力云图可以看出(图7b)，压应力最大值为7.985 MPa。两种工况下围岩压应力最大值均大于Ⅴ类岩体抗压强度5.000 MPa。

a 工况1围岩最大主应力云图

a 工况2围岩最大主应力云图

图8和图9分别是工况3和工况4围岩最大主应力和最小主应力分布云图。隧洞开挖后，由洞周围岩最大主应力云图(图8a)可知，围岩整体为受压状态，由洞周围岩最小主应力云图可以看出，围岩压应力最大值为6.510 MPa(图8b)。充水运营后，从图9a可以发现围岩整体依旧为受压状态，由洞周围岩最小主应力云图可以看出(图9b)，在内水压力影响下，压应力最大值为6.426 MPa。两种工况下围岩压应力最大值均小于Ⅲ类岩体抗压强度40.000 MPa。

a 工况3围岩最大主应力云图

a 工况4围岩最大主应力云图

本文根据某生态引水工程，选取输水隧洞断层处和最大埋深处，结合初始地应力和孔隙水压力分布条件，采用ANSYS建立典型断面有限元模型，探讨了隧洞结构在施工和内水压力作用下围岩应力、位移的变化规律，由此得出以下结论。

1) 通过三维地质模型分析，初始地应力和孔隙水压力的分布均随着埋深的增加也逐渐增大。在最大埋深处隧洞位置初始地应力最大达到1.342 MPa，孔隙水压力最大达到0.260 MPa，断层处隧洞位置初始地应力最大达到0.680 MPa，孔隙水压力最大达到0.200 MPa。

2) 隧洞施工和运营期间的围岩变形主要表现为拱顶向下沉降，拱底向上抬升。施工工况中，断层处和最大埋深处拱顶向下沉降量基本接近，分别为1.801mm、1.803mm；
而拱底向上抬升量在断层和最大埋深处差距相对较大，分别为2.110mm、1.450mm。充水运营工况中，由于内水压力作用，围岩拱顶和拱底的竖向位移相较于施工工况均有所减小，但差值较小。

3) 由于断层处地质构造复杂，岩体力学性能较差，在开挖后引起隧洞周边较大范围岩体发生位移，对施工期隧洞围岩变形与塑性区发展有很大影响，围岩塑性区主要发展在隧洞两侧，深度为2.920 m，该深度大于0.2倍开挖洞径，隧洞处于不稳定状态，为确保施工安全，建议在开挖前做好超前支护，提高围岩稳定性。最大埋深处地层岩性较好，岩体较稳定，隧洞开挖完成后，围岩塑性区发展区域主要在拱顶和拱低，深度为8.627 mm。

4) 围岩开挖施工和充水运营工况下，围岩均处于受压状态。施工工况下，断层处围岩最大压应力为7.987 MPa，埋深最大处围岩最大压应力为6.510 MPa，充水运营工况下，受内水压力作用，断层和埋深最大处围岩最大压应力均有所降低，分别为7.985 MPa、6.426 MPa。根据地质资料，断层处围岩最大压应力超过了Ⅴ类岩体抗压强度5.000 MPa，施工过程中，由于断层岩体力学性能较差，几乎不能承受拉应力的作用，难以适用锚杆加固，因此需要采取支撑和衬砌措施，以提高围岩性能，防止围岩的塌落。

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