基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形研究

米 健，沐 紅 元，李 建 國

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

滇中紅層是指主要分布于云南滇中地區，形成于晚三疊世至古近世，通常由一套砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，夾有泥灰巖和礫巖，外觀以紅色為主色調的陸相碎屑沉積地層[1-2]。滇中紅層軟巖由于其獨特的工程地質特性以及分布廣泛性而備受工程界的關注。張翔、何盛、朱俊杰等[3-5]研究表明：滇中紅層軟巖的流變效應明顯，其長期強度一般為峰值強度的70%；與直剪試驗相比，其長期抗剪強度的內摩擦角降低20%，凝聚力降低60%。

軟巖擠壓變形是深埋或高應力隧洞工程建設過程中的一大難題。軟巖擠壓變形發生的地質條件主要是巖性和應力條件[6]。軟巖賦存于高應力環境下，極易導致擠壓變形程度大、擠壓變形釋放時間長等問題[7]，例如：奧地利的Tanern隧道和Arlberg隧道、日本的EnasenⅡ號線、中國的家竹箐隧道、烏鞘嶺隧道、襄渝二線新蜀河隧道[8]和蘭渝鐵路木寨嶺隧道[9]等在開挖過程中均出現了軟巖擠壓變形，這些隧道埋深均在400 m以上，圍巖強度應力比0.05～0.33，隧道在開挖過程中的變形量一般為50～80 cm，最大變形量達240 cm，收斂時間達100～400 d；而國外的櫻內隧道、索沙卡隧道、英比科隧道等，埋深僅110～180 m，也發生了不同程度的軟巖擠壓變形。故軟巖擠壓變形問題往往成為工程建設中的“瓶頸”，制約工程建設工期、影響正常使用、造成成本飆升。

軟巖擠壓變形程度分級既評價了問題的嚴重程度，也反映了問題的發展階段，科學評價軟巖擠壓變形程度并分級具有重要的工程實際價值。由于軟巖類型眾多，特性千差萬別，隧洞在不同條件下開挖后所表現出的擠壓變形程度各異。本文根據滇中紅層軟巖的流變特性，結合國內外現有的軟巖擠壓變形程度分級方法，提出滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準，并通過數值模擬分析驗證其有效性。

1 工程概況

滇中引水工程一引水隧洞位于云南省玉溪市境內。隧洞全長14.6 km，設計流量20 m3/s，橫截面等效圓半徑為2.6 m，最大埋深470 m。隧洞沿線分布的T3y頁巖夾粉砂巖及J1f、J2z泥巖等滇中紅層軟巖累計長為9.9 km，占隧洞全長的68%。

隧洞出口距離全新世活動斷裂僅0.6 km，工程區50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.30g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅷ度，區域構造穩定性差-較差。

2 滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準

2.1 現有軟巖擠壓變形程度分級方法

現有軟巖擠壓變形程度分級評價方法分為應力法和變形法，如表1所列。

應力法大部分采用巖體強度和最大主應力指標進行評價，隧洞圍巖產生擠壓變形的強度應力比界限值為0.45～2.00，取值差異較大；變形法則主要采用圍巖應變指標進行評價，隧洞圍巖產生擠壓變形的應變界限值為1。

表1 現有軟巖擠壓變形程度分級方法匯總Tab.1 Summary of existing classification methods for extrusion deformation of soft rock

2.2 軟巖擠壓變形程度分級標準

軟巖擠壓變形產生機制是隧洞開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發生塑性化。因此，當隧洞圍巖的地應力水平大于軟化臨界荷載時，圍巖將表現出軟巖的擠壓變形特性。隧洞圍巖的地應力水平一般取地應力的最大主應力σ1，軟化臨界荷載用σcs表示，當σcs/σ1<1 時，隧洞圍巖將發生擠壓變形。

軟化臨界荷載計算公式如式(1)：

σcs=K×Rc

(1)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa；K為經驗系數，取巖體長期強度與峰值強度比值。

根據水利水電工程規范[15-16]，軟巖擠壓變形可用強度應力比S通過式(2)判定：

S=Rc/σ1

(2)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa，為了工程安全，一般取巖石飽和單軸抗壓強度(Rb)；σ1為最大主應力，MPa。

由式(1)可知，K=σcs/Rc，當S<1/K時，隧洞圍巖可能發生軟巖擠壓變形。根據滇中紅層軟巖的流變試驗成果，其長期強度一般是峰值強度的70%，考慮到試樣擾動等因素，進行經驗修正后K取0.87，因而1/K為1.15。因此，當S<1.15時，隧洞圍巖可能發生軟巖擠壓變形。

根據滇中紅層軟巖的流變特性及現有軟巖擠壓變形程度分級方法，提出滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準如表2所列。

表2 滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準Tab.2 Classification standard for extrusion deformation of soft rock in the red stratum of mid-Yunnan area

3 地應力確定

根據隧洞區地應力測試統計結果(見表3)，隧洞區100～200 m段、200～350 m段以及100～350 m段最大水平主應力側壓系數平均值分別為1.17，1.41和1.33，說明隧洞區的構造應力是地應力場中的主要影響因素。考慮到淺部地應力對隧洞影響較小，隧洞區水平主應力可取σH=1.4σz、σh=1.0σz。

依據壓裂縫方向的印模結果，最大水平主應力方向為N35°W～N75°W。

表3 隧洞區水平主應力側壓系數統計結果Tab.3 Statistical results of side pressure coefficient of horizontal stress in tunnel project region

4 軟巖擠壓變形程度分級評價

根據該引水隧洞圍巖強度應力比，計算出各地層各擠壓變形程度界限深度，詳見表4。由表4可知：該引水隧洞中T3y、J1f、J2z地層可能出現嚴重擠壓變形的界限深度分別為914.3，457.1 m和342.9 m。

根據表4的計算成果，對引水隧洞沿線的滇中紅層軟巖分布洞段進行擠壓變形程度預測，詳見表5。由表5可知：① 隧洞有8.85 km長洞段將發生軟巖擠壓變形，占隧洞全長的60.6%，占滇中紅層軟巖分布洞段累計長度的89.4%；② 隧洞中軟巖擠壓變形程度為輕微、中等及嚴重，累計長度分別為5.47，2.05 km和1.33 km，分別占隧洞全長的37.5%，14.0%，9.1%，分別占滇中紅層軟巖分布洞段累計長度的55.3%，20.7%，13.4%，擠壓變形程度總體以輕微-中等為主，最大埋深洞段為嚴重擠壓變形。

表4 各地層擠壓變形程度界限深度Tab.4 Limit depth of different extrusion deformation of different stratum

表5 隧洞圍巖擠壓變形程度預測Tab.5 Prediction of extrusion deformation of tunnel surrounding rock

5 軟巖擠壓變形數值模擬分析

為了驗證滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準的有效性，更好地分析該引水隧洞圍巖擠壓變形特征，本文采用FLAC3D對隧洞最大埋深洞段在不加支護措施工況下的擠壓變形進行數值模擬分析。

5.1 模型建立及參數選取

為減小邊界效應的影響，模型邊界距隧洞皆大于5.0倍洞徑，構建的計算模型采用六面體單元，共劃分了62 080個單元和65 559個節點。

隧洞最大埋深洞段圍巖為J2z泥巖，其物理力學參數如表6所列。

表6 隧洞圍巖物理力學參數Tab.6 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

5.2 數值模擬結果分析

圖1反映了隧洞里程69+716橫截面(最大埋深)在不加支護措施工況下的總位移情況，圖2為該截面的塑性區示意圖。

圖1 里程69+716橫截面總位移圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of total displacement in the cross section of stake number 69+716

圖2 里程YH69+716橫截面塑性區圖Fig.2 Schematic diagram of plastic zone in the cross section of stake number 69+716

從圖1可以看出：隧洞的總位移等值線大致呈橢圓形分布，洞周出現了10 cm以上的位移；最大位移出現在隧洞頂、底部位置，且隧洞頂部的最大位移量略大于隧洞底部；隧洞頂部的最大位移量為16.7 cm，隧洞底部的最大位移量為16.6 cm，主要是由滇中紅層軟巖塑性擠出引起。從圖2可以看出：隧洞兩側壁下部及底部的塑性變形以剪切變形和拉變形為主，其他位置以剪切變形為主，塑性區分布均勻，皆在1.5倍洞徑范圍內。

數值模擬計算得出隧洞里程YH69+716橫截面的最大位移量為16.7 cm，圍巖應變為6.42%，屬于嚴重擠壓變形。該橫截面基于強度應力比的軟巖擠壓變形預測結果亦為嚴重擠壓變形。根據表2的擠壓變形程度分級標準，對應的隧洞圍巖變形量為13～26 cm，圍巖應變為5%～10%。因此，數值模擬結果與基于強度應力比的軟巖擠壓變形預測結果基本吻合，驗證了基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預測的有效性。

6 結 論

(1) 當隧洞圍巖強度應力比S<1.15時，滇中紅層軟巖隧洞將發生軟巖擠壓變形，軟巖擠壓變形程度可劃分為無擠壓、輕微、中等、嚴重、極嚴重等5級。

(2) 該引水隧洞發生軟巖擠壓變形的洞段占滇中紅層軟巖分布洞段累計長度的89.4%，軟巖擠壓變形程度總體以輕微-中等為主，最大埋深洞段為嚴重擠壓變形。

(3) 通過數值模擬分析，該引水隧洞最大埋深洞段將發生嚴重擠壓變形，數值模擬結果與基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預測結果基本吻合，驗證了基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預測的有效性。