引漢濟渭秦嶺隧洞開挖期圍巖穩定性數值分析

李榮軍 韓福 雷龍 黨建濤 李卓

摘 要：隧洞巖體的穩定性分析是保證施工期和運行期安全穩定的重要研究課題，隧洞圍巖穩定中地應力因素有著十分重要的作用，基于引漢濟渭秦嶺引水隧洞二襯混凝土開裂洞段典型斷面的應力實測結果與地形地質構造條件，運用FLAC3D軟件模擬地下隧洞工程的施工開挖。結果顯示，洞周圍巖總體處于受壓狀態，主壓應力一般為8～38 MPa，在拱頂與右側拱肩、拱墻與底板交匯處有一定程度的壓應力集中，壓應力為28～38 MPa。隧洞頂拱位移總體上為5～20 mm，兩側邊墻朝臨空面方向的位移總體上為5～35 mm，底板回彈變形總體上為5～25 mm，位移較大處在Ⅳ類圍巖中，斷層f處尤其突出。隧洞開挖后產生了一定范圍的塑性區，以剪切破壞為主，塑性區主要在Ⅳ類圍巖中，深度3～4 m;靠近斷層區域塑性區進一步向斷層延伸，局部塑性區深度達6 m。

關鍵詞：模擬;非線性;隧洞;圍巖;塑性變形

中圖分類號：TV53

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.026

引用格式：李榮軍，韓福，雷龍，等.引漢濟渭秦嶺隧洞開挖期圍巖穩定性數值分析[J].人民黃河，2021，43（11）：137-139，146.

Numerical Analysis of Surrounding Rock Stability During Excavation of

Qinling Tunnel from Hanjiang River to Weihe River

LI Rongjun1， HAN Fu2， LEI Long1， DANG Jiantao1， LI Zhuo1

（1.Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Shaanxi Province， Xian 710024， China;

2.Construction and Operation Bureau of Qinghai Datonghe-to-Huangshui Diversion Project， Xining 810001， China）

Abstract： The stability analysis of tunnel rock mass is an important research topic to ensure the safety and stability of the construction period and operation period. The in-situ stress factor plays a very important role in the stability of tunnel surrounding rock. Based on the stress measurement results of the typical section of the second lining concrete cracking tunnel section of the water diversion tunnel from Hanjiang to Weihe and the geological and topographical conditions， this paper used the FLAC3D software is used to simulate the excavation of underground tunnel. The results show that the surrounding rock around the tunnel is generally in a state of compression， and the main compressive stress is generally between 8 MPa and 38 MPa. There is a certain degree of compressive stress concentration at the intersection of the vault and the right spandrel， the arch wall and the bottom plate， with the magnitude of 28 MPa to 38 MPa. The displacement of the tunnel top arch is generally between 5 and 20 mm; the displacement of the side walls on both sides towards the free face is generally between 5 and 35 mm; the rebound deformation of the bottom plate is generally between 5 and 25 mm; the larger displacement occurs in class IV surrounding rock， especially at fault F. After the tunnel excavation， a certain range of plastic zone is produced， which is mainly shear failure. The plastic zone mainly appears in class IV surrounding rock， and the depth is within 3-4 m; in the area near the fault， the plastic zone further extends to the fault， and the depth of local plastic zone reaches to 6 m.

Key words： simulation; nonlinear; tunnel; lining structure; plastic deformation

地下洞室的開挖施工是一個特別復雜的動態加卸載物理力學變化過程，隧洞開挖作業后巖體的應力場、位移場、塑性區變化分布規律和巖體的應力路徑存在著一定的關聯性，和隧洞開挖作業施工方法、施工步驟、襯砌支護方式和時間有著千絲萬縷的聯系[1-2]。杜小洲[3]通過高地應力及襯砌外水壓力分析，研究了秦嶺輸水隧洞硬巖變形的成因。康斌等[4]研究了高地應力下水工隧洞掘進施工技術，提出了應對措施。劉武斌等[5]通過某泄洪洞的安全監測設計，探究了施工期圍巖變形及應力特征。賈超等[6]分析了蝕變巖體對隧洞不同部位圍巖變形的影響。

筆者應用FLAC3D有限差分數值分析軟件，以引漢濟渭秦嶺隧洞出口段具體地質條件和實測地應力為背景，對樁號K75+900—K76+900洞段建立三維局部模型，采用全斷面法模擬隧洞開挖，結合隧洞位移場、應力場和塑性區的變化規律，評價隧洞開挖期圍巖整體與局部穩定性，綜合評判施工期隧洞的安全穩定性。

1 工程概況

陜西引漢濟渭調水工程秦嶺隧洞出口段主洞設計流量為70.0 m3/s，坡降為1/2 530，主洞斷面內輪廓為6.76 m×6.76 m的馬蹄形平底斷面（運行期），工程位于陜西省周至縣，采用鉆爆法開挖。2019年出口段工程施工完成，2020年在隧洞兩側拱腰位置出現不規則裂縫，襯砌混凝土最大縫寬0.5 mm，最大縫長92 m，裂縫面少量滲水，夾帶白色鈣化物。針對典型樁號段K76+540—K76+230局部二次襯砌開裂問題，在隧洞典型斷面樁號K76+460部位（底板高程512.1 m）附近布置3個測孔，開展了現場三維水壓致裂法地應力測試及地應力回歸反演分析等。

工程范圍內主要涉及地層為中下元古界大理巖、云母片巖。其主要工程地質特征如下：①大理巖，灰白色，礦物成分主要為白云巖、方解石，片理較發育，條帶狀構造。巖體表層強風化，風化層厚1～3 m，巖石堅固系數f=400 kPa，完整基巖f=1 000 kPa。②云母片巖，巖體表層強風化，風化層厚4～40 m，f=400 kPa，完整基巖f=700 kPa。隧洞出口段K76+471—K76+414、K76+402—K76+290為Ⅱ類圍巖，巖性為中元古界寬坪巖群廣東坪組大理巖夾云母片巖，埋深695～800 m，開挖巖性多為大理巖、少量石英片巖，巖體弱風化，巖石呈塊狀鑲嵌結構。

2 隧洞開挖施工期數值模擬

選用ITASCA公司開發的FLAC3D軟件進行模擬，此軟件主要應用于具有連續介質力學特征結構的計算分析，其求解過程選擇三維快速拉格朗日法。巖體材料本構模型主要包括塑性、彈性、空模型。塑性模型包括M-C、D-P、修正的劍橋模型等，其中M-C模型在巖體模擬計算中使用得較多，此模型能較好地模擬圍巖受到剪應力時的屈服狀態，因此本文采用M-C模型對秦嶺引水隧洞開挖施工期進行數值模擬。

按照實際求解方法的邊界條件，在建立隧洞開挖局域精細子模型時，令秦嶺隧洞開挖施工期模擬的局域模型坐標系與初始應力場反演模型的保持一致，即X軸平行于隧洞軸線方向，Y軸垂直于隧洞軸線方向，Z軸為鉛直方向。隧洞開挖毛洞實際斷面寬為8.10 m、高為7.88 m，模型的計算范圍為80 m×80 m×1 000 m。對秦嶺隧洞出口段的開挖施工選用彈塑性有限元三維模型進行模擬分析，有限元模型劃分的單元體和節點分別為837 894個和148 794個（見圖1）。

為模擬隧洞圍巖一定范圍內的應力釋放現象，借鑒參數弱化法將距隧洞開挖臨空面8 m范圍內的圍巖體進行弱化，其中距開挖臨空面4 m為強卸荷區、4～8 m為弱卸荷區。本次開挖計算時，各巖層和斷層所采用的物理力學參數建議值見表1，卸荷區相應類別圍巖的參數折減系數為0.4～0.6。

采用FLAC3D軟件來模擬巖體地下工程開挖施工時一般選用del zonerange或null模型。本文對挖掉的巖體選擇null模型進行仿真模擬，隧洞結構開挖區域的應力會消失，在沒有體力影響的條件下隧洞開挖施工分析過程為：設定隧洞巖體在無開挖擾動情況下的初始地應力場分布狀態，同時對初始位移場進行歸零處理;將一組開挖單元相反方向的節點力荷載疊加到原有應力場中，使巖體挖除部分對作業面產生的作用力得到相應沖抵，同時移除此作業面上所有的單元;將施工開挖中的位移增量和應力增量與求得的位移場和應力場疊加，獲得開挖完成后的應力場、位移場;循環進行后面的開挖，直到施工全部完成[7]。采用全斷面開挖法對秦嶺隧洞出口段的開挖過程進行數值模擬，開挖之前先將初始應力場模型中位移場清零，修改巖體材料力學參數，然后選用M-C模型進行模擬分析。

3 圍巖穩定性分析

3.1 應力場分析

隧洞開挖施工使得洞周巖體的應力場出現重分布，洞周巖體內部一定范圍內產生應力松弛現象，隧洞周圍巖體的徑向應力和環向應力分別產生了減小和增大現象，臨空面一定范圍內的巖體從三向應力轉化成為平面應力。洞周圍巖總體處于受壓狀態，主壓應力一般為8～38 MPa，在拱頂和右側拱肩、邊墻與底板交匯處有一定程度的壓應力集中現象，壓應力值為28～38 MPa。Ⅲ類、Ⅳ類圍巖及f斷層典型斷面的主應力分布見圖2～圖4。

3.2 位移場分析

隧洞開挖過程結束及變形穩定后，隧洞四周均向洞內變形，頂拱出現下沉，底板存在回彈現象。隧洞頂拱位移總體上為5～20 mm;兩側邊墻朝臨空面方向的位移總體上為5～35 mm;底板回彈變形總體上為5～25 mm;位移較大處在Ⅳ類圍巖中，f斷層處尤其突出。沿隧洞軸線縱剖面及Ⅲ類、Ⅳ類圍巖、f斷層典型斷面的位移分布見圖5～圖8。

3.3 塑性區分析

隧洞巖體開挖產生了一定范圍的塑性區，以剪切破壞為主，塑性區主要在Ⅳ類圍巖中，深度為3～4 m;在靠近斷層區域，塑性區進一步向斷層延伸，局部塑性區深度達6 m。

4 結 論

隧洞開挖期圍巖穩定性數值分析表明：洞周圍巖總體處于受壓狀態，主壓應力一般為 8～38 MPa，在拱頂與右側拱肩、邊墻與底板交匯處有一定程度的壓應力集中;位移較大處在Ⅳ類圍巖中，f斷層處尤其突出。隧洞開挖后產生了一定范圍的塑性區，以剪切破壞為主，塑性區主要在Ⅳ類圍巖中;在靠近斷層區域，塑性區進一步向斷層延伸，局部塑性區深度達6 m。建議：對于局部洞段變形較大部位采用長錨索加固，提

高圍巖穩定性與襯砌-圍巖整體性，減小圍巖及襯砌變形，防止或控制襯砌裂縫;在節理密集段布置適量排水孔，降低外水壓力;對于頂拱和邊墻局部裂損部位如隧洞二次襯砌混凝土拱墻局部拉裂、掉塊部位，可采用局部鑿除補強法處理;若隧洞圍巖類別優于Ⅲ類（含Ⅲ類），則對1.0～5.0 mm且密度較小的混凝土裂縫主要采用錨固注漿法進行修補。

參考文獻：

[1] 袁志芬.鋼筋混凝土結構非線性有限元分析[D].楊凌：西北農林科技大學，2001：56-68.

[2] 胡巖松.ANSYS模擬隧道施工過程應用[J].山西建筑，2010，36（3）：341-342.

[3] 杜小洲.引漢濟渭秦嶺輸水隧洞關鍵技術問題及其研究進展[J].人民黃河，2020，42（11）：138-142.

[4] 康斌，雷龍.引漢濟渭秦嶺輸水隧洞硬巖TBM掘進施工技術[J].人民黃河，2020，42（2）：103-108.

[5] 劉武斌，郭乙霏，雷銀拴，等.前坪水庫泄洪洞施工期監測及圍巖穩定分析[J].人民黃河，2019，41（7）：140-142.

[6] 賈超，廉明遠.蝕變巖體隧洞圍巖變形響應模擬研究[J].人民黃河，2018，40（6）：133-135.

[7] 劉允芳，尹健民，劉元坤，等.地應力測量方法和工程應用[M].武漢：湖北科學技術出版社，2014：53-66.

【責任編輯 張華巖】