香炉山隧洞5#支洞应急抢险段围岩参数反演及稳定性分析

韩 钢，黄书岭，丁秀丽，马旭强，张雨霆，何 军

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

滇中引水工程是我国目前在建规模最大、投资最多的水资源配置工程[1]。工程位于云南省境内，由水源工程和输水工程组成(见图1)，输水工程全线总长664.24 km，其中引水隧洞长度达611.99 km，占线路总长的92.13%。滇中引水工程引水规模大、隧洞线路长、穿越地质条件复杂，存在岩溶地下水、活动断裂、高地应力、软岩大变形等重大工程地质和环境地质问题，其工程规模和工程技术难度均居世界前列[2-3]。

图1 滇中引水工程线路Fig.1 Route map of the water diversion project in central Yunnan Province

香炉山隧洞作为滇中引水工程输水线路大理I段的首个建筑物，也是全线地质条件最复杂的深埋长隧洞，是滇中引水的关键性控制工程。隧洞起于丽江市玉龙县石鼓镇望城坡，止于大理州鹤庆县松桂镇河北—河西村一带。香炉山隧洞穿越地段地质条件复杂，跨越金沙江与澜沧江分水岭，沿线穿越大栗树断裂(F9)等13条大断(裂)层，其中龙蟠—乔后断裂(F10)、丽江—剑川断裂(F11)和鹤庆—洱源断裂(F12)等为全新世活动断裂，主要地质问题有断层破碎带、高地应力下软岩大变形和局部岩爆、突水涌泥等[4-7]。香炉山隧洞5#支洞作为勘察试验性项目之一先期开工，在施工期作为处理丽江—剑川断裂带(F11)及其影响带的施工通道，一方面其形成的工作面可为后续香炉山隧洞全面开工提供良好的条件；另一方面5#施工支洞进一步探明了地质条件、积累了设计和施工经验，同时也为进一步研究和解决香炉山深埋长隧洞类似关键地质问题提供了研究对象和试验空间。

本文的主要研究对象是香炉山隧洞5#支洞发生过涌水突泥的应急抢险洞段(桩号K0+501—526)，此洞段围岩主要为断层破碎带，岩体破碎、地下水丰富，以Ⅴ类围岩为主，岩体自稳能力极差，易发生掉块、塌方等灾害，围岩整体稳定问题极为突出。但是受现场施工条件及取样、制样难的限制，尚未开展过系统的室内或现场力学试验研究，导致设计及施工技术人员缺乏对围岩力学特性的精确把握。目前，围岩力学参数的确定过程一般是在室内或现场力学试验成果基础上，结合围岩的工程地质及水文条件，采用工程类比方法[8]或经验公式方法(如Hoek Brown准则[9])确定[10]。在缺乏现场及室内相关力学试验成果的条件下，如何相对合理地确定围岩力学参数是本项目中重要的研究课题。对此，孙钧等[11]、金长宇等[12]、田明俊等[13]、陈炳瑞等[14]及江权等[15]基于现场监测及物探信息在围岩力学参数反演方面开展了大量研究工作。基于上述研究成果，本文充分利用现场监测及物探资料，基于神经网络和遗传算法的位移反演方法对围岩力学参数进行合理反演，并对围岩稳定性进行系统分析。相关研究成果对5#支洞后续洞段或相近条件隧洞安全快速施工也具有指导意义。

2 工程概况

香炉山隧洞5#支洞布置于汝南河断层槽谷左岸山体的边缘部位，山体第一坡顶高程一般2 918～3 085 m，地势总体SE高NW低，坡角一般20°～40°。施工支洞除洞口少量第四系覆盖层外，穿越的主要地层岩性为第三系侵入岩-安山质玄武岩(Nβ)，三叠系中统北衙组上段(T2b2)灰岩、白云质灰岩、白云岩，二叠系喷出岩(Pβ)玄武岩，如图2所示。根据地下水的赋存条件和运移形式，支洞区地下水类型主要有孔隙水、基岩孔隙-裂隙水和裂隙-溶隙水。

图2 5#施工支洞轴线工程地质剖面图Fig.2 Axial engineering geological profile of 5# adit

5#支洞为斜井形式，平均坡度24.71°，横断面为城门洞型，净断面尺寸6.5 m×6.0 m(宽×高)，应急抢险洞段(桩号K0+501—526)平均埋深约350 m(图2中黄色虚线框所圈区域)。该段位于石灰窑断裂(FⅡ-4)下盘碎裂岩带，原岩主要为第三系浅灰绿色安山质玄武岩(Nβ)，局部夹角砾岩，受构造挤压及风化作用影响，掌子面左壁围岩以碎裂结构为主，岩面较新鲜，岩质较坚硬；右壁围岩岩体破碎，以散体结构为主，岩质总体较疏松；局部泥化，性状差—极差。岩体中局部发育裂隙，主要发育2组：①组产状：45°～120°∠50°～68°；②组产状：309°～321°∠12°～37°；出露长度一般3～5 m，裂面平直、粗糙，一般呈闭合状，无充填或充填厚度2～5 mm的泥质，性状较差；地下水丰富，岩体湿润，掌子面及后方30 m范围内出水量较大，综合评判为Ⅴ类围岩。

根据5#施工支洞周边基于水力致裂法获得的地应力测试结果，总结隧洞周围的地应力场整体符合下列特征[16]：

式中：σH为水平大主应力；σh为水平小主应力；γ为围岩重度；H为隧洞埋深。

最大水平主应力取值范围为-10～-11 MPa，竖直应力取值范围为-7～-8 MPa，最大水平主应力的方向29°～42°(NNE—NE向，与丽江剑川断裂走向基本一致)，与5#施工支洞的走向(NE50°)夹角7°～20°，呈小角度夹角，利于支洞施工。

3 考虑施工过程的三维计算模型

3.1 模型概况

根据香炉山隧洞5#支洞应急抢险洞段(桩号K0+501—526)，建立的模型尺寸为60 m×60 m×85 m(长×宽×高)，如图3所示。计算模型的所有外边界采用位移边界条件，根据5#施工支洞附近的地应力实测数据，对于埋深<400 m的洞段，初始地应力场的水平向大主应力侧压力系数取为1.4。由于应急抢险段围岩主要为断层带，因此，模型中各部分围岩的初始力学参数整体在断层破碎带规定的取值范围内进行取值[17]，并根据现场围岩的岩性、完整程度以及水文环境等条件进行相应调整。

图3 三维计算模型Fig.3 Three-dimensional simulation model

3.2 施工开挖过程及模拟

香炉山隧洞5#支洞应急抢险洞段施工过程曲折，施工难度大，详细的开挖过程及相应的开挖模型总结于图4中：①2020年11月，掌子面K0+526发生突泥涌水，掌子面退回至桩号K0+513，此时，二衬施工至桩号K0+507，初支施工至桩号K0+526；②2021年4月，桩号K0+501—507围岩完成径向固结灌浆；③2021年8月15日，桩号K0+513第一阶段降挖完成，底部还有2.9 m未开挖；④2021年11月，桩号K0+507—530围岩超前固结灌浆完成；⑤2021年11月26日，桩号K0+513掌子面爆破开挖；⑥2021年12月，桩号K0+513—520上台阶完成开挖，并架拱，桩号K0+520—522上台阶止浆墙浇筑，此时掌子面在桩号K0+520；⑦2022年4月9日，桩号K0+520止浆墙开始打爆破孔、开挖，上台阶开挖支护到桩号K0+529；⑧2022年4月23日，桩号K0+528.4处止浆墙浇筑完成(止浆墙厚度2 m)；⑨2022年4月26—30日，桩号K0+507—513下台阶开挖完成；⑩ 2022年5月3日，桩号K0+513—523底板降挖；○11 2022年6月29日，桩号K0+525—527底板降挖；○12 2022年7月1日，桩号K0+529止浆墙爆破，桩号K0+520—528底板降挖、出渣。

图4 开挖施工过程Fig.4 Process of excavation of 5# adit

3.3 支护措施

在桩号K0+513—526重新开挖过程中，采取了如下支护措施。

3.3.1 超前支护

(1)超前大管棚：在桩号K0+513止浆墙顶拱施作超前大管棚支护(Φ108 mm×6 mm，L=20～24 m，间距1.0 m，排距1.0 m)，采用普通水泥和超细水泥灌浆。

(2)超前小导管：在桩号K0+513止浆墙顶拱施作超前小导管(Φ42 mm×3.5 mm，L=4.5 m，排距1.0 m，间距20 cm)，超前小导管采用SC1高渗材料进行灌浆，兼顾形成二次超前固结灌浆的效果，灌浆压力暂定1.0 MPa。小导管外偏角10°～15°。

(3)超前锚杆：掌子面施作FRP玻璃纤维锚杆(Φ25 mm，L=4.5 m，间距1.5 m，排距1.5 m)。

3.3.2 初期支护

(1)钢拱架：隧洞边墙和顶拱施作钢拱架(I25工字钢，钢支撑间距0.5 m，Φ25 mm连接筋间距0.5 m，采用Φ6 mm挂网钢筋，网片间距0.2 m×0.2 m)；上台阶每榀钢支撑采用12根L=4.5 m的锁脚锚管，下台阶每榀钢支撑另外施作8根L=4.5 m的锁脚锚管，为增加钢支撑的整体性，在隧洞边墙和顶拱施作3根20#槽钢纵向连接钢支撑。此外，为了加强支护，桩号K0+513—526洞段施作双层钢拱架。

(2)锁脚锚管：每榀钢支撑设置20根锁脚锚管(热轧无缝钢管Φ42 mm×3.5 mm，L=4.5 m)，下倾25°～30°。

(3)混凝土初衬：在隧洞洞壁喷射厚度为0.2 m的C25混凝土。

计算模型中洞段K0+513—526支护情况如图5所示，相应的力学参数如表1所示。

表1 支护结构力学参数Table 1 Support parameters

图5 洞段K0+501—526支护情况Fig.5 Support arrangement in segment K0+501—526

4 应急抢险洞段围岩参数反演

4.1 基于神经网络和遗传算法的位移反演分析

2020年11月，桩号K0+526掌子面发生突水突泥事故，将掌子面重新推回到了桩号K0+513；同时，现场所有的监测数据都是基于开挖涌水突泥段得到的。因此，本次力学参数反演的目标位移主要是针对突水突泥段开挖引起的围岩变形。

基于监测位移的反演方法称为位移反演法。由于岩土体是十分复杂的天然地质体，其变形破坏特征受其赋存特征、工程荷载、环境条件以及时间等诸多因素影响，具有高度的不确定性和非线性。采用常规的位移反分析方法会存在计算工作量大、收敛速度慢等问题，通常很难获得令人满意的结果。针对这个问题，本研究采用基于神经网络和遗传算法的位移反演方法，其基本思路为：先采用数值方法建立工程岩体的计算模型，通过大量数值分析获得神经网络的训练样本；再利用神经网络的学习和记忆功能对样本进行逆辨识学习，即训练网络；然后利用遗传算法的全局优化性能对神经网络初始权值进行优化；由人工神经网络的非线性映射功能建立围岩位移与待反演参数之间的特征关系；最后，将实测位移代入训练好的神经网络进行反分析。

详细的围岩位移反演分析步骤为：

(1)由相关文献资料、地质宏观分析及工程经验等确定待反演参数(变形模量、内摩擦角和黏聚力)取值范围，如表2所示。

表2 5#洞应急抢险洞段围岩物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of surroun-ding rock mass of emergency rescue section in adit 5#

(2)采用均匀设计理论设计多参数多种水平的试验组合，得到多组正分析样本。

(3)将上述样本输入经遗传算法优化后的神经网络中训练，得到待反演参数与监测部位位移计算值的非线性映射关系。

(4)将实际监测值输入训练完备的网络中，即可得到要反演的力学参数。

(5)用所得到的力学参数进行正分析，预测监测部位岩体位移，并评价反演结果。

4.2 位移反演结果

在5#支洞应急抢险洞段进行了围岩收敛变形监测工作，本次位移反演中采用的是桩号K0+515、K0+518.5和K0+522三个监测断面处的位移收敛监测数据。 图6展示了采用基于神经网络和遗传算法的位移反演方法最终得到的不同监测断面上的位移收敛反演结果与相应的现场监测结果对比。 图6中A点位于顶拱， B点位于左拱座， C点位于右拱座。 对比结果表明： 数值计算结果整体上能够反映出5#支洞应急抢险洞段中右拱肩及边墙处的变形量明显大于其他部位这一现状； 此外， 不同部位处围岩的变形规律与实际收敛监测结果具有较好的一致性； 由于本计算模型中未考虑渗透压及孔隙渗流的影响， 某些监测点出位移会存在一定偏差。

图6 数值反演结果与现场收敛计监测结果柱状对比Fig.6 Comparison between numerical inversion and field convergence monitoring

采用基于神经网络和遗传算法的位移反演分析方法确定的围岩力学参数如表2所示(下划线数值)。

4.3 围岩稳定性分析

基于上述反演得到的围岩力学参数，模拟5#支洞应急抢险洞段的实际开挖支护过程，计算得到隧洞围岩的位移场、应力场及塑性区分布特征以及支护结构的受力状态等，并对当前应急抢险洞段的围岩稳定性进行了分析。

4.3.1 围岩位移场、应力场及塑性区分布特征

图7(a)给出了应急抢险洞段的位移场的纵剖面斜侧视图，从图中可以看出隧洞内部最大位移集中在桩号K0+501—513洞段的右边墙，其次是底板区域。出现这种现象的主要原因在于隧洞右侧围岩为力学特性相对更差的碎粉岩(见图3)，相应的围压变形也最大。

图7 围岩位移场、应力场及塑性区分布特征Fig.7 Distribution features of displacement field, stress field and plastic zones of surrounding rock

图7(b)给出了最大主应力场分布云图，从图中可以看出在开挖扰动下，隧洞底板和左右边墙以卸荷松弛为主，掌子面由于浇筑了2 m厚的混凝土止浆墙，整体上表现出一定程度的应力集中。

图7(c)给出了开挖导致的围岩塑性区分布特征，从图中可以看出隧洞底板附近的塑性区深度较深(3～5 m)，边墙区域塑性区深度在2～4 m之间，顶拱上的塑性区深度大约为2 m，掌子面由于置换成了混凝土止浆墙，其强度较高，几乎无塑性区出现。

4.3.2 支护结构受力状态

为了应对5#支洞应急抢险段的围岩大变形、掉块甚至塌方危险，现场采用了钢拱架等强力支护措施及超前大管棚和超前注浆小导管等超前支护措施。隧洞开挖后围岩内钢拱架、超前管棚及超前注浆小导管的弯矩分布特征如图8(a)所示，从图中可知弯矩>10 000 N·m的钢拱架主要分布在隧洞右侧边墙，顶拱部位钢拱架弯矩在0～1 000 N·m范围内；桩号K0+513—520顶拱处的超前大管棚及小导管上的弯矩较大，集中在1 000～3 000 N·m范围内，主要原因是由于该洞段发生过涌水突泥，顶拱处围岩完整性更差。

图8 支护结构上的弯矩和轴向应力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of bending moment and axial stress on support structure

图8(b)给出了支护结构上的轴向应力分布特征图，从图中可以看出，钢拱架上的轴向应力量值整体在50～100 MPa范围内；最大值主要分布在前后施工开挖步的连接部位，范围较小，主要为压应力，接近400 MPa，；而掌子面附近的超前小导管存在明显拉应力，量值在200～300 MPa之间。

通过对5#支洞应急抢险洞段进行施工开挖、支护全过程模拟计算，认为5#支洞应急抢险洞段整体处于稳定状态，除桩号K0+501—513洞段右边墙围岩变形量较大外，其余部位围岩变形量整体<15 cm，塑性区深度在2～5 m范围内，支护结构受力整体处于正常水平。

5 结 论

本文对在建的香炉山隧洞5#支洞应急抢险洞段(桩号K0+501—526)围岩稳定问题进行了系统研究。充分利用现场监测及物探资料，采用基于神经网络和遗传算法的位移反演方法确定了应急抢险洞段围岩的基本力学参数；并详细总结、模拟了应急抢险洞段施工开挖、支护全过程；最后，进行了隧洞的围岩稳定性分析。得到以下主要结论：

(1)反演得到了能够合理反演应急抢险洞段的围岩力学参数。

(2)在当前开挖支护条件下，5#支洞应急抢险洞段整体处于稳定状态，除桩号K0+501—513洞段右边墙围岩变形量较大外，其余部位围岩变形量整体<15 cm，塑性区深度在2～5 m范围内，支护结构受力整体处于正常水平。

研究结果对于5#支洞后续洞段或相近条件隧洞安全快速施工具有一定指导意义。