引汉济渭秦岭隧洞开挖期围岩稳定性数值分析

李荣军 韩福 雷龙 党建涛 李卓

摘 要：隧洞巖体的稳定性分析是保证施工期和运行期安全稳定的重要研究课题，隧洞围岩稳定中地应力因素有着十分重要的作用，基于引汉济渭秦岭引水隧洞二衬混凝土开裂洞段典型断面的应力实测结果与地形地质构造条件，运用FLAC3D软件模拟地下隧洞工程的施工开挖。结果显示，洞周围岩总体处于受压状态，主压应力一般为8～38 MPa，在拱顶与右侧拱肩、拱墙与底板交汇处有一定程度的压应力集中，压应力为28～38 MPa。隧洞顶拱位移总体上为5～20 mm，两侧边墙朝临空面方向的位移总体上为5～35 mm，底板回弹变形总体上为5～25 mm，位移较大处在Ⅳ类围岩中，断层f处尤其突出。隧洞开挖后产生了一定范围的塑性区，以剪切破坏为主，塑性区主要在Ⅳ类围岩中，深度3～4 m;靠近断层区域塑性区进一步向断层延伸，局部塑性区深度达6 m。

关键词：模拟;非线性;隧洞;围岩;塑性变形

中图分类号：TV53

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.026

引用格式：李荣军，韩福，雷龙，等.引汉济渭秦岭隧洞开挖期围岩稳定性数值分析[J].人民黄河，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

地下洞室的开挖施工是一个特别复杂的动态加卸载物理力学变化过程，隧洞开挖作业后岩体的应力场、位移场、塑性区变化分布规律和岩体的应力路径存在着一定的关联性，和隧洞开挖作业施工方法、施工步骤、衬砌支护方式和时间有着千丝万缕的联系[1-2]。杜小洲[3]通过高地应力及衬砌外水压力分析，研究了秦岭输水隧洞硬岩变形的成因。康斌等[4]研究了高地应力下水工隧洞掘进施工技术，提出了应对措施。刘武斌等[5]通过某泄洪洞的安全监测设计，探究了施工期围岩变形及应力特征。贾超等[6]分析了蚀变岩体对隧洞不同部位围岩变形的影响。

笔者应用FLAC3D有限差分数值分析软件，以引汉济渭秦岭隧洞出口段具体地质条件和实测地应力为背景，对桩号K75+900—K76+900洞段建立三维局部模型，采用全断面法模拟隧洞开挖，结合隧洞位移场、应力场和塑性区的变化规律，评价隧洞开挖期围岩整体与局部稳定性，综合评判施工期隧洞的安全稳定性。

1 工程概况

陕西引汉济渭调水工程秦岭隧洞出口段主洞设计流量为70.0 m3/s，坡降为1/2 530，主洞断面内轮廓为6.76 m×6.76 m的马蹄形平底断面（运行期），工程位于陕西省周至县，采用钻爆法开挖。2019年出口段工程施工完成，2020年在隧洞两侧拱腰位置出现不规则裂缝，衬砌混凝土最大缝宽0.5 mm，最大缝长92 m，裂缝面少量渗水，夹带白色钙化物。针对典型桩号段K76+540—K76+230局部二次衬砌开裂问题，在隧洞典型断面桩号K76+460部位（底板高程512.1 m）附近布置3个测孔，开展了现场三维水压致裂法地应力测试及地应力回归反演分析等。

工程范围内主要涉及地层为中下元古界大理岩、云母片岩。其主要工程地质特征如下：①大理岩，灰白色，矿物成分主要为白云岩、方解石，片理较发育，条带状构造。岩体表层强风化，风化层厚1～3 m，岩石坚固系数f=400 kPa，完整基岩f=1 000 kPa。②云母片岩，岩体表层强风化，风化层厚4～40 m，f=400 kPa，完整基岩f=700 kPa。隧洞出口段K76+471—K76+414、K76+402—K76+290为Ⅱ类围岩，岩性为中元古界宽坪岩群广东坪组大理岩夹云母片岩，埋深695～800 m，开挖岩性多为大理岩、少量石英片岩，岩体弱风化，岩石呈块状镶嵌结构。

2 隧洞开挖施工期数值模拟

选用ITASCA公司开发的FLAC3D软件进行模拟，此软件主要应用于具有连续介质力学特征结构的计算分析，其求解过程选择三维快速拉格朗日法。岩体材料本构模型主要包括塑性、弹性、空模型。塑性模型包括M-C、D-P、修正的剑桥模型等，其中M-C模型在岩体模拟计算中使用得较多，此模型能较好地模拟围岩受到剪应力时的屈服状态，因此本文采用M-C模型对秦岭引水隧洞开挖施工期进行数值模拟。

按照实际求解方法的边界条件，在建立隧洞开挖局域精细子模型时，令秦岭隧洞开挖施工期模拟的局域模型坐标系与初始应力场反演模型的保持一致，即X轴平行于隧洞轴线方向，Y轴垂直于隧洞轴线方向，Z轴为铅直方向。隧洞开挖毛洞实际断面宽为8.10 m、高为7.88 m，模型的计算范围为80 m×80 m×1 000 m。对秦岭隧洞出口段的开挖施工选用弹塑性有限元三维模型进行模拟分析，有限元模型划分的单元体和节点分别为837 894个和148 794个（见图1）。

为模拟隧洞围岩一定范围内的应力释放现象，借鉴参数弱化法将距隧洞开挖临空面8 m范围内的围岩体进行弱化，其中距开挖临空面4 m为强卸荷区、4～8 m为弱卸荷区。本次开挖计算时，各岩层和断层所采用的物理力学参数建议值见表1，卸荷区相应类别围岩的参数折减系数为0.4～0.6。

采用FLAC3D软件来模拟岩体地下工程开挖施工时一般选用del zonerange或null模型。本文对挖掉的岩体选择null模型进行仿真模拟，隧洞结构开挖区域的应力会消失，在没有体力影响的条件下隧洞开挖施工分析过程为：设定隧洞岩体在无开挖扰动情况下的初始地应力场分布状态，同时对初始位移场进行归零处理;将一组开挖单元相反方向的节点力荷载叠加到原有应力场中，使岩体挖除部分对作业面产生的作用力得到相应冲抵，同时移除此作业面上所有的单元;将施工开挖中的位移增量和应力增量与求得的位移场和应力场叠加，获得开挖完成后的应力场、位移场;循环进行后面的开挖，直到施工全部完成[7]。采用全断面开挖法对秦岭隧洞出口段的开挖过程进行数值模拟，开挖之前先将初始应力场模型中位移场清零，修改岩体材料力学参数，然后选用M-C模型进行模拟分析。

3 围岩稳定性分析

3.1 应力场分析

隧洞开挖施工使得洞周岩体的应力场出现重分布，洞周岩体内部一定范围内产生应力松弛现象，隧洞周围岩体的径向应力和环向应力分别产生了减小和增大现象，临空面一定范围内的岩体从三向应力转化成为平面应力。洞周围岩总体处于受压状态，主压应力一般为8～38 MPa，在拱顶和右侧拱肩、边墙与底板交汇处有一定程度的压应力集中现象，压应力值为28～38 MPa。Ⅲ类、Ⅳ类围岩及f断层典型断面的主应力分布见图2～图4。

3.2 位移场分析

隧洞开挖过程结束及变形稳定后，隧洞四周均向洞内变形，顶拱出现下沉，底板存在回弹现象。隧洞顶拱位移总体上为5～20 mm;两侧边墙朝临空面方向的位移总体上为5～35 mm;底板回弹变形总体上为5～25 mm;位移较大处在Ⅳ类围岩中，f断层处尤其突出。沿隧洞轴线纵剖面及Ⅲ类、Ⅳ类围岩、f断层典型断面的位移分布见图5～图8。

3.3 塑性区分析

隧洞岩体开挖产生了一定范围的塑性区，以剪切破坏为主，塑性区主要在Ⅳ类围岩中，深度为3～4 m;在靠近断层区域，塑性区进一步向断层延伸，局部塑性区深度达6 m。

4 结 论

隧洞開挖期围岩稳定性数值分析表明：洞周围岩总体处于受压状态，主压应力一般为 8～38 MPa，在拱顶与右侧拱肩、边墙与底板交汇处有一定程度的压应力集中;位移较大处在Ⅳ类围岩中，f断层处尤其突出。隧洞开挖后产生了一定范围的塑性区，以剪切破坏为主，塑性区主要在Ⅳ类围岩中;在靠近断层区域，塑性区进一步向断层延伸，局部塑性区深度达6 m。建议：对于局部洞段变形较大部位采用长锚索加固，提

高围岩稳定性与衬砌-围岩整体性，减小围岩及衬砌变形，防止或控制衬砌裂缝;在节理密集段布置适量排水孔，降低外水压力;对于顶拱和边墙局部裂损部位如隧洞二次衬砌混凝土拱墙局部拉裂、掉块部位，可采用局部凿除补强法处理;若隧洞围岩类别优于Ⅲ类（含Ⅲ类），则对1.0～5.0 mm且密度较小的混凝土裂缝主要采用锚固注浆法进行修补。

参考文献：

[1] 袁志芬.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[D].杨凌：西北农林科技大学，2001：56-68.

[2] 胡岩松.ANSYS模拟隧道施工过程应用[J].山西建筑，2010，36（3）：341-342.

[3] 杜小洲.引汉济渭秦岭输水隧洞关键技术问题及其研究进展[J].人民黄河，2020，42（11）：138-142.

[4] 康斌，雷龙.引汉济渭秦岭输水隧洞硬岩TBM掘进施工技术[J].人民黄河，2020，42（2）：103-108.

[5] 刘武斌，郭乙霏，雷银拴，等.前坪水库泄洪洞施工期监测及围岩稳定分析[J].人民黄河，2019，41（7）：140-142.

[6] 贾超，廉明远.蚀变岩体隧洞围岩变形响应模拟研究[J].人民黄河，2018，40（6）：133-135.

[7] 刘允芳，尹健民，刘元坤，等.地应力测量方法和工程应用[M].武汉：湖北科学技术出版社，2014：53-66.

【责任编辑 张华岩】