粉砂质板岩隧洞围岩变形破坏特征及稳定性研究

2021-07-21夏玉云姚晨辉

水利与建筑工程学报 2021年3期

夏玉云，姚晨辉，周奎，柳旻，张超

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2.中国电建集团西北勘测设计院有限公司，陕西西安 710065)

地下洞室围岩变形破坏及稳定性的研究是进行地下空间开发的重要课题，岩体是经过多年地质作用生成的不连续体，存在诸如层面、节理、软弱夹层以及断层破碎带等地质界面[1]。在工程建设中岩体的变形破坏与岩体赋存的地质环境，自身强度有着密切的关系，其还受地下水、结构面发育特征、施工手段及支护方式等影响，其破坏模式及稳定性也表现的相对复杂[2-3]。

目前国内外学者对地下工程围岩变形破坏研究已取得丰富的研究成果及实践运用。孙广忠[1]从破坏机制和表现形式的角度，将地下工程围岩的破坏分为张破裂、剪破坏、结构体沿软弱结构面滑动、结构体滚动、倾倒、溃屈、弯折等7种破坏类型；原先凡等[4]将围岩的失稳模式划分为滑移-脱落,滑移-弯曲,张开-剥落,拉断-弯折及鼓胀-弯折等五种类型。

关于层状岩体围岩变形破坏及稳定性研究也取得丰富的成果。赵景彭[5]研究认为节理面是层状岩体大断面隧道失稳破坏关键所在，倾角较小时，拱顶容易发生弯折破坏。王克忠等[6]研究了结构面倾角以及结构面到隧洞中心的距离对节理围岩破坏机理的影响。邓祥辉等[7]通过研究发现节理面的存在弱化了围岩的参数,使围岩表现出各向异性，得出了围岩的稳定性由节理控制。刘红兵[8]研究不同岩层倾角对层状岩体隧道稳定性影响分析。对于层状岩体隧洞围岩破坏及稳定性研究主要集中在结构面工程地质特征[9-15]。

东南亚某在建水电站引水隧道在粉砂质板岩这种层状岩体隧洞段开挖施工过程中，岩体变形破坏现象普遍发生，轻者掉块，重者导致洞室大面积塌方、混凝土开裂、拱架变形等，极大威胁现场施工人员安全和影响施工进度。因此，研究粉砂质板岩这种层状岩体围岩变形破坏规律及稳定性，对后期类似洞段开挖前可能产生局部失稳及围岩稳定性做出预测，并采取针对性的开挖和支护措施，避免或控制围岩的局部破坏，具有重要的工程意义。

1 工程概况

该引水隧洞沿线属中低山地貌区，冲沟发育，沟内多有常年流水。引水隧洞长约16.5 km，隧洞采用马蹄形开挖方式，埋深介于35 m～282 m，其中工程桩号1+091 m、3+760 m、8+655 m、12+733 m处上覆围岩厚度较薄，厚度介于35 m～46 m。前期地质勘查表明隧洞洞身穿过的岩性主要有泥盆系下统(D1)砂岩、泥盆系中统(D2)板岩、石炭系下统上部(C1-2)灰岩、石炭系下统下部(C1-1)炭质灰岩、炭质板岩(见图1)。其中粉砂质板岩主要分布在4号支洞上游方向—3号支洞往下游向(桩号H6+338 m—H9+200 m)。

2 隧洞开挖揭露粉砂质板岩地质特征

2.1 岩体特征

隧洞开挖揭露粉砂质板岩为紫红色，具有泥质结构，遇水易软化，属较软岩，层理发育，多呈薄层—互层状结构，产状N80°～85°W,SW(NE)70°～80°，走向与洞轴线夹角约5°～10°(见图2)；洞室侧壁揭露层面多平直光滑且多夹泥质(见图3)。

图1 引水隧洞地质概况图

图2 隧洞开挖揭露粉砂质板岩典型特征

图3 硐室左壁揭露层面特征

2.2 结构面发育特征

(1) Ⅳ级结构面。对已开挖洞段结构面的地质编录进行统计分析(见图4)，主要发育4组优势结构面：J1:N25°～40°E，SE50°～65°、J2:N70°～80°W，NE60°～65°、J3:N5°～10°E，NW80°～85°、J4:N25°～40°W，NE25°～40°以及随机结构面。结构面多平直粗糙，以微张—张开为主，间距多在10 cm～30 cm，无充填。图5为洞室不同部位典型结构面分布发育特征。

图4 Ⅳ级结构面发育等密度图

(2) Ⅲ级结构面。目前已开挖洞段共发育Ⅲ级结构面共11条，主要为断层，结构面分布发育特征见表1、图6和图7。从图表可以看出，Ⅲ级结构面主要为陡倾状，宽度5 cm～15 cm，多为岩屑夹泥型，其在洞室典型分布发育特征见图6。

图5 洞室不同部位结构面分布发育特征图

图6 洞室Ⅲ级结构面发育特征

表1 已开挖洞段Ⅲ级结构面发育特征

2.3 围岩分类

根据现行规范，并考虑工程技术问题评价的连续性，洞室围岩的分类方法以Q系统围岩分类方法为主，开挖后重点考虑结构面切割导致的不稳定块体，将粉砂质板岩段围岩判定为Ⅳ2类(见图8)，断层及挤压带影响带内判定Ⅴ类(见图9)。

图7 Ⅲ级结构面发育等密度图

图8 Ⅳ2类围岩图9 Ⅴ类围岩

3 围岩变形破坏特征

现场地质调查表明粉砂质板岩围岩变形破坏特征主要分为以下两类：

(1) 结构面控制的不稳定块体。粉砂质板岩段岩层产状与洞轴线小角度相交，且倾角陡，约70°～80°，层面多平直光滑，偶夹泥质，开挖后，加之受爆破及应力调整产生的随机结构面影响，二者相互切割，极易产生不稳定块体。

拱顶部位：一般表现为局部的掉块，规模一般不大，但若不稳定块体发生在拱顶，会对工人人身安全造成威胁，见图10。

图10 结构面相互切割形成的不稳定块体

洞壁：在洞室右壁起拱部位多沿层面产生滑移破坏，其中N25°～40°E，SE50°～65°为其触发结构面(见图11)；而在洞室左壁多产生倾倒破坏，导致局部塌渣掉块，范围一般不大，深度不超过50 cm(见图12)。

(2) 断层控制的变形。断层及挤压带多是应力集中部位，其附近岩体多受到严重挤压，影响带内岩体多成散体—碎裂状，开挖暴露后，应力调整幅度相对于正常岩体较大，产生的变形相应也要相对较强，加之受地下水影响，遂产生大规模的垮塌，严重者导致混凝土，拱架产生变形(见图13)。现场调查发现断层走向和洞轴线夹角在30°～60°之间，极易发生垮塌变形。

图11 沿右侧壁产生的滑移-拉裂破坏

图12 沿左侧壁产生的倾倒破坏

图13 受断层影响导致的垮塌变形

4 基于有限元的洞室稳定性分析

通过对已开挖洞段变形破坏特征进行分析，发现Ⅳ结构面控制的多为局部的垮塌掉块，不会影响整个洞室的稳定性，但会影响现场施工人员的人身安全，而由断层和挤压带等Ⅲ级结构面引起的洞室变形破坏，对人身安全及整个洞室的稳定性都会产生严重的影响。本节借助有限元数值软件，分析断层(Ⅲ级结构面)在不同产状下对洞室的稳定性影响。

4.1 模型建立

计算中围岩材料模型采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb 准则，根据已开挖揭露Ⅲ级结构面分布发育特征，本次研究主要针对断层与洞室相对位置、断层倾角2个方面对洞室围岩稳定性的影响进行研究，全断面开挖。断层厚度取10 cm，共划分①、②、③、④四种工况，①作为对比工况，后3种每种工况软弱夹层倾角θ分别取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°共7种情况进行数值计算(见图14、表2)。有限元计算模型及监测点布置见图15。

图14 模拟断层倾角及位置示意图

表2 模拟工况

图15 隧洞开挖有限元模型计算模型及监测点位置

4.2 计算力学参数

根据前期勘察阶段相关室内岩石试验资料，本次计算力学参数见表3。

表3 围岩及结构面力学参数表

4.3 数值模拟结果分析

通过计算结果，可看出开挖后不同工况下的洞室变形变化情况。图16中，图16(a)和图16(b)分别为无断层和有断层开挖后洞室位移云图，断层的存在极大影响洞室的变形，使得位移分布失去原有的对称性。从监测点数据来看，两侧腰线部位岩体位移分别提高了20.0%和33.3%。这是由于断层是岩体中的薄弱点，也是应力集中的部位，开挖后由于应力调整，加上地下水的软化作用，其力学参数迅速劣化，增大的围岩的变形，减弱了洞室的稳定性。

图16 不同工况围岩位移云图

图17为工况②(即断层与洞室中心相交)情况下洞室开挖后各监测点位移变化情况，从图中可以看出开挖后各监测点位移，随断层倾角增大，拱顶和底板位移基本无变化，两侧腰线部位，在断层倾角为45°时位移略有增加，相对于无断层是增大了0.045 m。因此，当断层与隧道中心相交，对隧洞围岩变形影响相对较小。

图17 工况②隧洞各监测点位移变化情况

图18为工况③(即断层与洞室相交且位于中心左上方)情况下洞室开挖后各监测点位移变化情况，可以看出左侧腰线部位岩体的变形影响最强，随断层角度增加呈先增大后减小的趋势，尤其断层倾角为30°时影响最大，相对于无断层状况下位移提高了67.6%；而拱顶和底板部位岩体的影响相对较小，随断层倾角最大，位移缓慢增加，倾角60°时对拱顶影响最大，倾角75°时对底板的影响最大；对右侧腰线部位岩体的变形基本无影响。

图18 工况③隧洞各监测点位移变化情况

图19为工况④(即断层与洞室相交且位于中心右下方)情况下洞室开挖后各监测点位移变化情况，可以看右侧腰线部位岩体的影响最大，随断层角度增大位移先增大后减小，其中当断层倾角45°时，位移相对无断层时提高了58.6%，对拱顶部位岩体的变形相对较弱，随断层倾角增大，位移缓慢增加，其中倾角75°时影响较大，提高了12.5%；对底板和左侧腰线部位岩体的变形较弱，基本无影响。