王建敏，任青文，楊 印

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

地下洞室賦存的地質(zhì)環(huán)境是一個內(nèi)部信息部分已知、部分未知的灰色系統(tǒng)［1］，它在建設(shè)過程中不可預(yù)見的因素較多，是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程.研究［2－5］表明，許多地下洞室在施工過程中發(fā)生塌方、大變形等安全事故，其重要原因是缺少合理的洞室施工安全預(yù)警指標(biāo)，并且不能及時采取工程加固措施所致.武世婷等［3］認(rèn)為大型水電工程建設(shè)中的地下洞室設(shè)計和支護(hù)復(fù)雜而無規(guī)范可循，現(xiàn)有大部分工程仍然遵循“經(jīng)驗設(shè)計，經(jīng)驗施工”的原則，這也說明地下洞室預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警指標(biāo)仍是需要研究的重要課題.

國內(nèi)外對地下洞室施工安全預(yù)警指標(biāo)的確定方法主要有:工程類比法［2］、規(guī)范法、數(shù)值計算法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計法［2］等.工程類比法和規(guī)范法不能針對具體工程情況分析圍巖穩(wěn)定性，確定的預(yù)警指標(biāo)和實際情況偏差較大.數(shù)值計算法雖然對參數(shù)的選取依賴性大，但可以事先給出施工安全預(yù)警指標(biāo)，供施工初期使用［2］.數(shù)據(jù)統(tǒng)計法需要對長時間的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，工作量大且無法提前給出.

基于施工過程中的地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)建立有限元模型對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評價的方法已得到廣泛應(yīng)用，但對預(yù)警指標(biāo)的定量研究較少［5］.因此，本文基于有限元數(shù)值模擬［6］和相關(guān)規(guī)范綜合確定洞室開挖的安全預(yù)警指標(biāo)，在地下洞室施工過程中，根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對提前給出的安全預(yù)警指標(biāo)予以調(diào)整，從而更好地指導(dǎo)施工.

1 地下洞室施工安全預(yù)警指標(biāo)的確定

預(yù)警指標(biāo)通常包括結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力應(yīng)變以及滲流等［7］，由于位移容易量測，且有限元分析的位移精度較高，因此以位移為對象進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)研究.根據(jù)洞室所在區(qū)域的工程地質(zhì)資料建立地下洞室開挖的有限元模型，通過非線性分析獲得不同地質(zhì)段的不同洞室斷面的位移隨開挖長度的變化，分析各斷面的相對位移收斂情況［8－9］，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范關(guān)于位移容許值的規(guī)定，最終確定洞室開挖的安全預(yù)警指標(biāo).

1.1 地下洞室開挖的數(shù)值模擬

一般而言，地下洞室的破壞是由于施工開挖引起的應(yīng)力重分布超過圍巖強(qiáng)度或引起圍巖變形過大所致.從力學(xué)角度看，圍巖失穩(wěn)是因圍巖應(yīng)力達(dá)到或超過巖體強(qiáng)度的范圍較大，最后形成一片連續(xù)貫通的塑性破壞區(qū)、巖體產(chǎn)生過大的變形［10］.有限元法具有良好的適應(yīng)性、通用性和靈活性，可以解決各種復(fù)雜的力學(xué)問題［11］，利用有限元軟件模擬開挖過程，可以清楚地顯示洞室圍巖的應(yīng)力變形狀態(tài)和塑性區(qū)的變化情況，具有傳統(tǒng)的穩(wěn)定性評價難以企及的優(yōu)點.

1.1.1 有限元模型的建立 根據(jù)地下洞室所在區(qū)域的地質(zhì)剖面圖，建立其有限元計算模型.由于地下洞室一般埋藏在巖體深部，為了保證有限元計算的精度，需要較大的計算范圍，通常應(yīng)不小于巖體工程輪廓尺寸的3～4倍［6］.根據(jù)洞室沿線圍巖的不同地質(zhì)條件對模型分段，每一段的巖體物理力學(xué)參數(shù)相同，每段至少取1個斷面作為位移的計算斷面.根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件和計算工作量來確定網(wǎng)格的疏密程度，計算斷面位置必須設(shè)置網(wǎng)格節(jié)點，距離開挖體較遠(yuǎn)的位置單元可以稍大，接近開挖體需要對單元加密.

模型需要的巖體和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗取得.當(dāng)無實測數(shù)據(jù)時，各級圍巖物理力學(xué)參數(shù)和巖體結(jié)構(gòu)面的黏結(jié)力及內(nèi)摩擦角，可采用表1中的數(shù)值［12］.

1.1.2 初始地應(yīng)力場的確定 洞室開挖過程中，導(dǎo)致圍巖變形的主要原因是初始地應(yīng)力引起的開挖荷載，因此首先要確定洞室所在區(qū)域的初始地應(yīng)力場.如果該區(qū)域有實測地應(yīng)力點，則可通過反演確定地應(yīng)力場;如無，則可近似采用自重應(yīng)力場.值得注意的是，圍巖在地應(yīng)力作用下初始的位移須歸零，故需要對圍巖做初始地應(yīng)力平衡.

1.1.3 有限元計算及結(jié)果分析 依據(jù)建立的有限元模型，模擬洞室開挖的過程，提取每個計算斷面的豎向和水平相對位移，即把開挖到L處與開挖到該斷面時的位移相減得到值u，隨著開挖掌子面的向前推進(jìn)，繪制u－L曲線.在洞室開挖過程中，根據(jù)u－L曲線的變化情況，若計算斷面的相對位移逐漸收斂，則將該斷面定為收斂斷面確定預(yù)警指標(biāo);若計算斷面的相對位移不收斂，則將該斷面定為不收斂斷面確定預(yù)警指標(biāo).

1.2 關(guān)于圍巖位移容許值的相關(guān)規(guī)定

目前相關(guān)規(guī)范對無支護(hù)的地下洞室周邊允許相對位移容許值沒有具體規(guī)定，故借用了《錨桿噴射混凝土技術(shù)規(guī)范》［12］關(guān)于有支護(hù)隧洞的位移相對值的規(guī)定.根據(jù)實際地質(zhì)資料建立有限元計算模型，計算使圍巖保持穩(wěn)定的位移容許值，參考規(guī)范［12］規(guī)定綜合確定圍巖的安全預(yù)警指標(biāo).

《錨桿噴射混凝土技術(shù)規(guī)范》［12］指出，根據(jù)勘測地質(zhì)資料確定圍巖級別，對于高跨比為0.8～1.2的一些地下工程(Ⅲ級圍巖跨度不大于20 m，Ⅳ級圍巖跨度不大于15 m，Ⅴ級圍巖跨度不大于10 m的地下洞室)，隧洞周邊的實測位移相對值或用回歸分析推算的最終位移相對值均應(yīng)小于表2所列數(shù)據(jù).表2中的允許位移相對值是指洞室周邊徑向位移之和Δu與洞室尺寸之比，由此可確定容許位移［Δu］.

表2 隧洞周邊允許位移相對值Tab.2 Allowable relative displacement of the tunnel rock %

1.3 預(yù)警指標(biāo)的確定方法

位移是巖體結(jié)構(gòu)在開挖或變形過程中反饋出的一個重要信息，通過對巖體結(jié)構(gòu)位移的實時監(jiān)測可以及時了解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)的變化，既可以按照需要對其進(jìn)行穩(wěn)定性控制，又可以利用位移反分析預(yù)測巖體結(jié)構(gòu)和荷載的未來變化［13］.下面將根據(jù)計算斷面位移與開挖長度關(guān)系即u－L曲線的形狀以及規(guī)范的容許相對位移值確定洞室開挖的安全預(yù)警指標(biāo).

1.3.1 預(yù)警指標(biāo)的分級 根據(jù)統(tǒng)計資料，地下洞室群從開挖到失效，通常經(jīng)歷3種狀態(tài):(1)正常狀態(tài)，指地下洞室能達(dá)到設(shè)計要求，不存在影響正常使用的缺陷，且各主要監(jiān)測量的變化處于正常情況下的狀態(tài);(2)不正常狀態(tài)，指地下洞室的某項功能已不能完全滿足設(shè)計要求，或主要監(jiān)測量出現(xiàn)異常，因而影響正常使用的狀態(tài);(3)失效狀態(tài)，指地下洞室出現(xiàn)危及安全的嚴(yán)重缺陷，或環(huán)境中某些危及安全的因素正在加劇，或主要監(jiān)測量出現(xiàn)較大異常，若按設(shè)計條件繼續(xù)運行將出現(xiàn)重大事故的狀態(tài).破壞是失效狀態(tài)的一種特例.因而，將地下洞室施工安全預(yù)警指標(biāo)分為二級:地下洞室由正常狀態(tài)進(jìn)入不正常狀態(tài)的臨界位移值作為二級預(yù)警指標(biāo)，由不正常狀態(tài)進(jìn)入失效狀態(tài)的臨界位移值作為一級預(yù)警指標(biāo).

1.3.2 位移收斂斷面預(yù)警指標(biāo) 對于位移收斂(?u/?L≤0)的斷面，根據(jù)位移Δu和規(guī)范規(guī)定的位移容許值［Δu］的大小關(guān)系可以分為以下兩種情況:

(1)如果模擬開挖過程直到結(jié)束時均有Δu≤［Δu］，則以開挖結(jié)束時的變形量Δu作為二級預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)實測位移超過該值，發(fā)出二級預(yù)警，此時施工單位應(yīng)該加強(qiáng)位移的觀測.以規(guī)范規(guī)定的該圍巖變形量容許值［Δu］作為一級預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)實測位移接近或達(dá)到該值，就要發(fā)出一級預(yù)警，此時應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)，啟動應(yīng)急預(yù)案，避免發(fā)生安全事故.

(2)如果模擬開挖過程直到結(jié)束時均有Δu＞［Δu］，則以規(guī)范規(guī)定的該圍巖變形量容許值［Δu］的70%［2］作為二級預(yù)警指標(biāo)，一級指標(biāo)和其余應(yīng)對措施同情況(1).

1.3.3 位移不收斂斷面預(yù)警指標(biāo) 對于位移不收斂(?u/?L＞0)的斷面，根據(jù)位移Δu和規(guī)范規(guī)定的位移容許值［Δu］的大小關(guān)系可以分為以下兩種情況:

(1)如果模擬開挖過程直到結(jié)束時均有Δu≤［Δu］，則需考慮圍巖的流變效應(yīng)，在洞室開挖結(jié)束后的一段時間內(nèi)，加強(qiáng)該斷面位移變化情況的監(jiān)測.以規(guī)范規(guī)定的該圍巖變形量容許值［Δu］作為該斷面的一級預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)實測位移接近或達(dá)到該值，發(fā)出一級預(yù)警，此時應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)，啟動應(yīng)急預(yù)案，避免發(fā)生安全事故.

(2)如果模擬開挖過程直到結(jié)束時均有Δu＞［Δu］，則應(yīng)事先施加支護(hù)，建立新的有限元模型，進(jìn)一步通過有限元分析，直到出現(xiàn)以上3種情況時確定預(yù)警指標(biāo).

圖1 地下洞室模型Fig.1 A model for underground grotto

2 算例分析

洞室埋深50 m，洞徑10 m，上下左右各取5倍洞徑，沿洞室軸線方向取360 m.建立模型如圖1所示，模型共剖分了38 800個單元，42 925個節(jié)點.圍巖為Ⅳ類巖體，取表3所示的幾組參數(shù)進(jìn)行計算，采用D－P屈服準(zhǔn)則，其中的參數(shù)根據(jù)內(nèi)摩擦角φ和黏聚力 c換算［14］.

表3 圍巖參數(shù)Tab.3 The parameters of surrounding rock

2.1 預(yù)警指標(biāo)的確定

將模型沿Z向分為1～2，2～3和3～4三段，選取1～2段的A－A斷面作為位移的計算斷面(圖2).分析不同圍巖參數(shù)模型A－A斷面的豎向收斂位移和水平收斂位移與洞徑之比，根據(jù)《錨桿噴射混凝土技術(shù)規(guī)范》位移容許值比較，確定預(yù)警指標(biāo).

根據(jù)設(shè)計確定的施工程序，沿洞室軸線方向Z=0向Z=360 m開挖，共劃分了100個開挖步，每個開挖步3.6 m.分別繪出4組圍巖下Z=18 m的A－A計算斷面的豎向收斂位移和水平收斂位移與開挖長度的關(guān)系曲線u～L(見圖3).地下洞室埋深50 m，圍巖為Ⅳ級，根據(jù)規(guī)范隧洞周邊允許位移相對值為0.40%.斷面A－A的預(yù)警指標(biāo)見表4.

圖2 地下洞室分段示意圖(單位:m)Fig.2 Sections of the underground grotto(unit:m)

圖3 4組圍巖收斂位移與開挖長度的關(guān)系Fig.3 Relationships between relative displacement and excavation length of four groups

表4 A－A斷面的預(yù)警指標(biāo)Tab.4 Early safety warning index of the section A－A

2.2 預(yù)警指標(biāo)的驗證

根據(jù)塑性區(qū)圖4可以證明第1～3組圍巖在A－A斷面塑性區(qū)沒有貫通，圍巖狀態(tài)較穩(wěn)定，第4組圍巖在A－A斷面處已經(jīng)出現(xiàn)連續(xù)的滑移面，如果不加強(qiáng)支護(hù)，地下洞室的穩(wěn)定性很難保證，因此必須先施加支護(hù)，然后方可確定安全預(yù)警指標(biāo).

圖4 4組圍巖塑性區(qū)Fig.4 Plastic zones of four groups

3 結(jié)語

本文提出的基于數(shù)值計算結(jié)果、結(jié)合相關(guān)規(guī)范對地下洞室收斂位移的要求，進(jìn)而確定地下洞室施工安全預(yù)警指標(biāo)的方法，能夠綜合考慮洞室所賦存的地質(zhì)環(huán)境和洞室的空間結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定性的影響，為地下洞室的施工提供了安全預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，便于施工單位及時采取工程措施確保圍巖穩(wěn)定.但是，有限元數(shù)值計算對巖體力學(xué)參數(shù)依賴性大，如果模擬的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和取用的計算參數(shù)與巖體實際情況不同，那么所得到的安全預(yù)警指標(biāo)就會存在偏差.為此，可將本文方法確定的預(yù)警指標(biāo)作為初值，在施工過程中結(jié)合實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，不斷修正預(yù)警指標(biāo)，以便達(dá)到更好的預(yù)警效果.

［1］葉英.隧道施工信息化預(yù)警［M］.北京:人民交通出版社，2012:1-10.(YE Ying.Tunnel construction information precaution and guarantee［M］.Beijing:China Communications Press，2012:1-10.(in Chinese))

［2］劉學(xué)增，俞文生.隧道穩(wěn)定性評價與塌方預(yù)警［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2010:21-29.(LIU Xue-zeng，YU Wensheng.Stability evaluation and landside early warning of tunnel［M］.Shanghai:Tongji University Press，2010:21-29.(in Chinese))

［3］武世婷，周廣峰，張建海，等.西部三大水電工程地下廠房研究比較［J］.水利水電科技進(jìn)展，2009，29(1):61-65.(WU Shi-ting，ZHOU Guang-feng，ZHANG Jian-hai，et al.Comparative study of three large underground powerhouses in the west of China［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2009，29(1):61-65.(in Chinese))

［4］許傳華，任青文，鄭治，等.索風(fēng)營水電站地下洞室?guī)r體力學(xué)參數(shù)的位移反分析［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(11):1981-1985.(XU Chuan-hua，REN Qing-wen，ZHENG Zhi，et al.Displacement back analysis of rock mechanic parameters of Suofengying Hydraulic Power Plant［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(11):1981-1985.(in Chinese))

［5］沈振中，陳允平，王成，等.大壩安全實時監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的研制和開發(fā)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2010，30(3):68-72.(SHEN Zhen-zhong，CHEN Yun-ping，WANG Cheng，et al.Development of real-time monitoring and early warning system of dam safety［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30(3):68-72.(in Chinese))

［6］陳衛(wèi)忠，伍國軍，賈善坡.ABAQUS在隧道及地下工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010:4-5，99-118.(CHEN Wei-zhong，WU Guo-jun，JIA Shan-po.ABAQUS in tunnel and underground engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，2010:4-5，99-118.(in Chinese))

［7］馬福恒，向衍，吳中如.水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷的預(yù)警系統(tǒng)［J］.水利水運工程學(xué)報，2005(3):7-12.(MA Fu-heng，XIANG Yan，WU Zhong-ru.Early-warning system of hydraulic concrete structure for health diagnosis［J］.Hydro-Science and Engineering，2005(3):7-12.(in Chinese))

［8］KARAKUS M，F(xiàn)OWELL R J.Effects of different tunnel face advance excavation on the settlement by FEM［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2003，18(5):513-523.

［9］EBERHARDT E.Numerical modeling of three-dimension stress rotation ahead of an advancing tunnel face［J］.Inter J of Rock Mech ＆ Mining Sciences，2001，38:499-518.

［10］邵國建，卓家壽，章青.巖體穩(wěn)定性分析與評判準(zhǔn)則研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(5):691-696.(SHAO Guo-jian，ZHUO Jia-shou，ZHANG Qing.Research on analysis method and criterion of rock mass stability［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(5):691-696.(in Chinese))

［11］方從嚴(yán)，卓家壽.節(jié)理巖體數(shù)值仿真研究綜述［J］.水利水運工程學(xué)報，2005(2):70-78.(FANG Cong-yan，ZHUO Jiashou.Summarization of numerical simulation for joined rocks［J］.Hydro-Science and Engineering，2005(2):70-78.(in Chinese))

［12］GB 50086－2001，錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.(GB 50086－2001，Specifications for bolt-shotcrete support［S］.(in Chinese))

［13］任青文，許傳華.基于位移突變的巖體穩(wěn)定數(shù)值模擬分析［C］∥中國水力發(fā)電工程學(xué)會水工專委會2004年學(xué)術(shù)交流會議論文集.南京，2004:137-140.(REN Qing-wen，XU Chuan-hua.Numerical simulation analysis of rock mass based on displacement catastrophe［C］∥Proceedings of Academic Exchanges Meeting by Hydraulic Professional Committee of China Society for Hydropower Engineering in 2004.Nanjing，2004:137-140.(in Chinese))

［14］徐磊，任青文，杜小凱，等.層狀巖體各向異性彈塑性模型及其數(shù)值實現(xiàn)［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6(4):763-769.(XU Lei，REN Qing-wen，DU Xiao-kai，et al.An anisotropic elastoplastic constitutive model for layered rock mass and its implementation［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6(4):763-769.(in Chinese))