加固措施对富水断层破碎带隧洞围岩稳定的影响研究

2018-05-09苏卫强米艳芳周家文

水利与建筑工程学报 2018年2期

王猛，苏卫强，吕苑，米艳芳，周家文

(1.四川大学水利水电学院，水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

水在岩体中流动会改变岩体的原始应力状态，同时岩体应力状态的变化又会影响岩体中水的流动特性，裂隙岩体中的渗流场和应力场之间的相互影响称为渗流-应力耦合作用，其主要表现为以下两方面：一是当裂隙岩体中有渗流发生时，地下水渗流在裂隙岩体中引起的渗流作用力将改变岩体中原始存在的应力状态；二是裂隙岩体中应力状态的改变，又将引起岩体结构的变化，进而改变裂隙岩体的渗透性能，使裂隙岩体中地下水渗流场随之变化。当有渗流发生时，这两方面的相互作用将通过反复耦合而达到动态稳定状态[1-2]。

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，其引水自金沙江虎跳峡以上河段，以解决滇中地区严重的缺水问题，具有显著的经济效益、社会效益和生态效益。输水总干渠全长661.07 km，全线划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪红河共5段。其中，大理Ⅱ段输水渠道地下水环境复杂，多条隧洞穿过岩溶水系统，断层裂隙发育，夹杂溶蚀破碎带，且外水压力较高，水头最高可达500 m以上。不良的水文地质条件在渗流-应力耦合作用下，极易导致洞室围岩的变形和破坏。针对此类问题，国内外的学者做了诸多研究。陈卫忠等[3]和刘仲秋等[4]在对锦屏二级水电站引水隧洞围岩和衬砌的受力和变形特征进行数值计算时，考虑了渗透系数和孔隙度的动态演化。张继勋等[5]通过计算提出了在隧洞开挖过程中应力场对渗流场的影响处于主要地位，而渗流场对应力场的影响处于次要地位。针对加固措施对于洞室稳定性的作用，严露等[6-13]众多学者也做了一系列的研究。纵观众多研究成果，可以看出处于复杂地质环境中的不在少数，其中多以高埋深、高水头为水文地质特点[14-17]，而鲜有穿越断层破碎带的工程实例。实际上，处于岩溶地区断层破碎带的地下洞室不仅结构上不利，而且衬砌外水压力及涌水量较大，围岩稳定性问题尤为突出，而目前此类探究还有待进一步深入。

本文即针对岩溶地区断层破碎带这一独特地质环境，应用渗流-应力耦合的原理，对地下洞室在采取支护措施后的稳定性问题展开了比较研究。

1 计算模型

ABAQUS作为当前国际上最先进的大型通用有限元软件之一，能够提供丰富的单元类型和复杂的荷载及边界条件。其中包含的Pore Fluid/Stress单元，可以进行如固结、渗流等的饱和及非饱和岩土体中流体的渗透-应力耦合分析，能够满足本工程的计算需求。

本文计算断面选自大理Ⅱ段海东隧洞，桩号为DLⅡ5+987。该断面埋深323 m，水头为135 m，位于分段桩号DLⅡ5+000—DLⅡ6+000，岩石主要为裂隙性溶蚀风化下带白云质灰岩，其中较完整段(Kv=0.55～0.65)占90%，溶蚀破碎带(Kv=0.1～0.3)占10%。灰岩透水性较强，渗透系数可达1.0 m/d，溶蚀破碎带溶隙极发育，结构面张开大于5 mm，延伸好，隙面平直粗糙，多泥质充填。地质剖面图显示，有一断层破碎带穿越该洞段(见图1)，受其影响，断面衬砌外水压力及涌水量均较大。针对该工况，需采取“堵水限排”的原则对围岩进行注浆堵水，同时在衬砌设置排水孔进行排水。因此，本文将研究采用不同堵水排水措施时洞室围岩及衬砌的应力变形规律。

图1引水隧洞纵剖面图

计算范围取10倍洞径，即为106.6 m×106.6 m的二维模型。计算采用Pore Fluid/Stress单元，选取洞室无衬砌、洞室有衬砌但无注浆圈和洞室有衬砌且有注浆圈三种工况，三种工况下依次划分为2 472、1 815和1 925个四边形单元。由图1可见，计算断面隧洞上部为断层破碎带，下部为白云质灰岩，在模型中亦是如此(见图2)，且这两个部分各自被赋予了不同的材料参数(见表1)。对于衬砌排水孔的效果，可采用等效渗透系数的方式，将衬砌渗透系数增大至5×10-7m/s，即可等效为排水孔排水。岩体材料采用Mohr-Coulomb屈服准则，其他力学参数参见表1、表2。

图2 模型网格图(有衬砌有注浆圈工况)

表2 工程材料力学参数

而后施加边界条件。在模型左右边界施加x方向的位移约束，底部边界施加y方向的位移约束，上边界为自由面；在上边界施加上部岩体的压力作用，整个模型受重力和侧向构造应力作用；在上下边界分别施加地下水作用水头，上边界水头为87 m，下边界水头为193.6 m；衬砌内表面为自由透水面，孔隙水压力为零。

2 计算结果分析

2.1 衬砌对围岩的影响

衬砌对围岩的影响见图3、表3。由计算结果图3显示，在无衬砌工况下，围岩的最大拉应力为2.96 MPa，位于洞室底板偏左处，最大压应力为38.65 MPa，位于洞室右拱脚，应力数值整体较大；施作衬砌之后，围岩拉应力消失，全部为压应力，最大压应力减至20.8 MPa，位于顶拱偏右位置。由于岩石为典型的脆性材料，其抗压强度远大于抗拉强度，故拉应力的消失有利于围岩的稳定。可见，衬砌使得围岩拉应力消失、压应力减小，对于改善围岩应力状态起了重要作用。

洞室开挖之后，顶拱和底板以竖直方向的位移为主，而左右边墙的位移主要沿水平方向，围岩变形表现为边墙内挤、顶拱下沉、底板上鼓。无衬砌时，围岩水平方向最大位移为21.17 mm，位于左边墙，右边墙位移为21.13 mm；竖直方向最大位移为13.85 mm，位于顶拱，底板向上的位移为10.9 mm。施作衬砌之后，左边墙位移减至13.05 mm，右边墙位移减至14.02 mm；竖直方向上，顶拱位移减至1.83 mm，底板位移减至9.82 mm。可见，无论是水平方向位移还是顶拱的位移均有大幅度的降低，反映出衬砌支护在一定程度上可以约束围岩，减小围岩变形。

图3围岩应力分布云图

表3 施作衬砌前后围岩应力变形统计表

由表3可以直观看到，无衬砌时，洞室围岩的最大应力已超过其强度极限，围岩有局部破坏的风险；在施作衬砌之后，围岩的拉应力消失，压应力减小，应力重回安全的范围之内。而此时衬砌的最大拉应力为3.52 MPa，最大压应力为47.5 MPa，即衬砌为围岩分担了一部分荷载，使得围岩应力水平降低，变形减小，从而提高了围岩的稳定性，“牺牲”自己来保护围岩。

2.2 注浆圈对围岩和衬砌的影响

上文的工况中衬砌使围岩“转危为安”，但衬砌“自身难保”，其本身的应力数值较大，已超出混凝土强度极限，破坏不可避免，因此本节采用围岩注浆来保护衬砌。由计算结果显示，对围岩进行注浆之后，围岩的应力状态与只有衬砌支护而未注浆时差别不大(无拉应力产生，最大压应力为24.7 MPa，位于顶拱位置)，但衬砌应力有显著降低。衬砌的最大拉应力自未注浆时的3.52 MPa减至2.26 MPa，最大压应力自47.5 MPa减至33.08 MPa，且最大应力的位置与未注浆时相同。这是因为经过围岩注浆，岩层中的裂隙尤其是破碎带被浆液充填，浆液固化之后形成了岩块之间的胶结材料，提高了围岩的整体性和自稳能力，从而减小了作用在衬砌上的荷载，一定程度上起到了保护衬砌的作用。变形方面，围岩变形趋势依然为边墙内挤、顶拱下沉、底板上鼓，左右边墙的水平位移分别减至5.2 mm和5.16 mm；竖直方向上，顶拱位移减至1 mm，底板位移减至7.74 mm。整体变形较小。由于注浆圈降低了衬砌的应力，因此衬砌变形较未注浆明显减小，这体现了注浆圈约束围岩、减小围岩变形的作用。围岩注浆之后，衬砌的应力基本已能满足强度要求，局部应力较大处可考虑加配钢筋。表4为围岩注浆前后衬砌应力和围岩变形的数值对比。由表4可见，对于处于断层破碎带且水头较高的洞段，对围岩进行注浆十分必要。

表4 围岩注浆前后应力变形统计表

2.3 三种工况下的孔隙水压力分析

在隧洞开挖之前，地下水为平衡状态，孔隙水压力表现为与静水压力相同的等值线分布。隧洞开挖之后，由于岩体的爆破以及卸荷作用，将会在临空面附近产生新的裂隙，这些裂隙可能会使原有的非贯通裂隙连通，形成新的水流通道，从而改变岩体中的地下水渗流场[18]。如图4(a)所示，孔隙水压力沿隧洞轮廓呈环形带状分布，且越靠近开挖临空面，孔隙水压力的变化梯度越大。此外，对比围岩应力分布可以发现，开挖造成孔隙水压力扰动的范围要大于应力扰动范围。

施作衬砌之后，地下水渗流场又有显著变化，见图4(b)。围岩孔隙水压力整体下降，其等值线图呈漏斗状，而且孔隙水压力在靠近临空面处下降明显，在远离临空面处变化幅度较小。渗流对岩体应力状态的影响是通过施加裂隙壁上的法向渗透压力(面力)和切向拖曳力(面力)而影响岩体的应力分布[19]，因此施作衬砌之后形成的新的孔隙水压力区导致了岩体的应力重新分布，从而使得围岩拉应力消失、压应力减小。而衬砌排水时孔隙水压力下降梯度较大、涌水量较大，经历渗流-应力耦合的动态过程后，应力在衬砌上积聚，从而出现了衬砌整体应力较大的结果。

对围岩进行注浆之后，孔隙水压力分布如图4(c)所示，在远离临空面处孔隙水压力等值线近似平行，而在靠近临空面处等值线呈环形分布。对比衬砌的外水压力可知，未注浆时衬砌最大外水压力为0.84 MPa，注浆之后最大外水压力为0.32 MPa。可见，注浆圈起到了很好的隔绝作用，注浆圈封堵了地下水的渗流通道，减小了涌水量，使得注浆圈外的区域孔隙水压力与未开挖时变化不大，而注浆圈内的孔隙水压力急剧减小，衬砌的外水压力也随之减小，达到了保护衬砌的效果。

图4孔隙水压力分布云图

为更直观展现孔隙水压力分布，设隧洞顶拱为A点，模型上边界中点为B点，取三种工况下直线AB上的孔隙水压力数值作函数曲线，如图5所示。若开挖后未采用支护措施，孔隙水压力沿AB方向较均匀的降低，变化率缓缓递增。施作衬砌之后，孔隙水压力在衬砌外区域变化极小，而在衬砌内部骤减。注浆工况的孔隙水压力曲线在注浆圈之外与未开挖工况相似，近似为递增的直线，进入注浆圈之后孔隙水压力骤减，表现为折线的形态。但此时衬砌内部孔隙水压力的数值和变化率均小于无注浆圈工况，印证了该工况下衬砌应力小于无注浆工况的结论。可见，在衬砌上较大的孔隙水压力变化率往往伴随着较大的应力，这是渗流-应力耦合作用的结果。