米 健，沐 紅 元，李 建 國

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021)

滇中紅層是指主要分布于云南滇中地區(qū)，形成于晚三疊世至古近世，通常由一套砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，夾有泥灰?guī)r和礫巖，外觀以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑沉積地層[1-2]。滇中紅層軟巖由于其獨特的工程地質(zhì)特性以及分布廣泛性而備受工程界的關(guān)注。張翔、何盛、朱俊杰等[3-5]研究表明：滇中紅層軟巖的流變效應明顯，其長期強度一般為峰值強度的70%；與直剪試驗相比，其長期抗剪強度的內(nèi)摩擦角降低20%，凝聚力降低60%。

軟巖擠壓變形是深埋或高應力隧洞工程建設(shè)過程中的一大難題。軟巖擠壓變形發(fā)生的地質(zhì)條件主要是巖性和應力條件[6]。軟巖賦存于高應力環(huán)境下，極易導致擠壓變形程度大、擠壓變形釋放時間長等問題[7]，例如：奧地利的Tanern隧道和Arlberg隧道、日本的EnasenⅡ號線、中國的家竹箐隧道、烏鞘嶺隧道、襄渝二線新蜀河隧道[8]和蘭渝鐵路木寨嶺隧道[9]等在開挖過程中均出現(xiàn)了軟巖擠壓變形，這些隧道埋深均在400 m以上，圍巖強度應力比0.05～0.33，隧道在開挖過程中的變形量一般為50～80 cm，最大變形量達240 cm，收斂時間達100～400 d；而國外的櫻內(nèi)隧道、索沙卡隧道、英比科隧道等，埋深僅110～180 m，也發(fā)生了不同程度的軟巖擠壓變形。故軟巖擠壓變形問題往往成為工程建設(shè)中的“瓶頸”，制約工程建設(shè)工期、影響正常使用、造成成本飆升。

軟巖擠壓變形程度分級既評價了問題的嚴重程度，也反映了問題的發(fā)展階段，科學評價軟巖擠壓變形程度并分級具有重要的工程實際價值。由于軟巖類型眾多，特性千差萬別，隧洞在不同條件下開挖后所表現(xiàn)出的擠壓變形程度各異。本文根據(jù)滇中紅層軟巖的流變特性，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的軟巖擠壓變形程度分級方法，提出滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準，并通過數(shù)值模擬分析驗證其有效性。

1 工程概況

滇中引水工程一引水隧洞位于云南省玉溪市境內(nèi)。隧洞全長14.6 km，設(shè)計流量20 m3/s，橫截面等效圓半徑為2.6 m，最大埋深470 m。隧洞沿線分布的T3y頁巖夾粉砂巖及J1f、J2z泥巖等滇中紅層軟巖累計長為9.9 km，占隧洞全長的68%。

隧洞出口距離全新世活動斷裂僅0.6 km，工程區(qū)50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.30g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差-較差。

2 滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準

2.1 現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級方法

現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級評價方法分為應力法和變形法，如表1所列。

應力法大部分采用巖體強度和最大主應力指標進行評價，隧洞圍巖產(chǎn)生擠壓變形的強度應力比界限值為0.45～2.00，取值差異較大；變形法則主要采用圍巖應變指標進行評價，隧洞圍巖產(chǎn)生擠壓變形的應變界限值為1。

表1 現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級方法匯總Tab.1 Summary of existing classification methods for extrusion deformation of soft rock

2.2 軟巖擠壓變形程度分級標準

軟巖擠壓變形產(chǎn)生機制是隧洞開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發(fā)生塑性化。因此，當隧洞圍巖的地應力水平大于軟化臨界荷載時，圍巖將表現(xiàn)出軟巖的擠壓變形特性。隧洞圍巖的地應力水平一般取地應力的最大主應力σ1，軟化臨界荷載用σcs表示，當σcs/σ1<1 時，隧洞圍巖將發(fā)生擠壓變形。

軟化臨界荷載計算公式如式(1)：

σcs=K×Rc

(1)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa；K為經(jīng)驗系數(shù)，取巖體長期強度與峰值強度比值。

根據(jù)水利水電工程規(guī)范[15-16]，軟巖擠壓變形可用強度應力比S通過式(2)判定：

S=Rc/σ1

(2)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa，為了工程安全，一般取巖石飽和單軸抗壓強度(Rb)；σ1為最大主應力，MPa。

由式(1)可知，K=σcs/Rc，當S<1/K時，隧洞圍巖可能發(fā)生軟巖擠壓變形。根據(jù)滇中紅層軟巖的流變試驗成果，其長期強度一般是峰值強度的70%，考慮到試樣擾動等因素，進行經(jīng)驗修正后K取0.87，因而1/K為1.15。因此，當S<1.15時，隧洞圍巖可能發(fā)生軟巖擠壓變形。

根據(jù)滇中紅層軟巖的流變特性及現(xiàn)有軟巖擠壓變形程度分級方法，提出滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準如表2所列。

表2 滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準Tab.2 Classification standard for extrusion deformation of soft rock in the red stratum of mid-Yunnan area

3 地應力確定

根據(jù)隧洞區(qū)地應力測試統(tǒng)計結(jié)果(見表3)，隧洞區(qū)100～200 m段、200～350 m段以及100～350 m段最大水平主應力側(cè)壓系數(shù)平均值分別為1.17，1.41和1.33，說明隧洞區(qū)的構(gòu)造應力是地應力場中的主要影響因素?？紤]到淺部地應力對隧洞影響較小，隧洞區(qū)水平主應力可取σH=1.4σz、σh=1.0σz。

依據(jù)壓裂縫方向的印模結(jié)果，最大水平主應力方向為N35°W～N75°W。

表3 隧洞區(qū)水平主應力側(cè)壓系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Statistical results of side pressure coefficient of horizontal stress in tunnel project region

4 軟巖擠壓變形程度分級評價

根據(jù)該引水隧洞圍巖強度應力比，計算出各地層各擠壓變形程度界限深度，詳見表4。由表4可知：該引水隧洞中T3y、J1f、J2z地層可能出現(xiàn)嚴重擠壓變形的界限深度分別為914.3，457.1 m和342.9 m。

根據(jù)表4的計算成果，對引水隧洞沿線的滇中紅層軟巖分布洞段進行擠壓變形程度預測，詳見表5。由表5可知：① 隧洞有8.85 km長洞段將發(fā)生軟巖擠壓變形，占隧洞全長的60.6%，占滇中紅層軟巖分布洞段累計長度的89.4%；② 隧洞中軟巖擠壓變形程度為輕微、中等及嚴重，累計長度分別為5.47，2.05 km和1.33 km，分別占隧洞全長的37.5%，14.0%，9.1%，分別占滇中紅層軟巖分布洞段累計長度的55.3%，20.7%，13.4%，擠壓變形程度總體以輕微-中等為主，最大埋深洞段為嚴重擠壓變形。

表4 各地層擠壓變形程度界限深度Tab.4 Limit depth of different extrusion deformation of different stratum

表5 隧洞圍巖擠壓變形程度預測Tab.5 Prediction of extrusion deformation of tunnel surrounding rock

5 軟巖擠壓變形數(shù)值模擬分析

為了驗證滇中紅層軟巖擠壓變形程度分級標準的有效性，更好地分析該引水隧洞圍巖擠壓變形特征，本文采用FLAC3D對隧洞最大埋深洞段在不加支護措施工況下的擠壓變形進行數(shù)值模擬分析。

5.1 模型建立及參數(shù)選取

為減小邊界效應的影響，模型邊界距隧洞皆大于5.0倍洞徑，構(gòu)建的計算模型采用六面體單元，共劃分了62 080個單元和65 559個節(jié)點。

隧洞最大埋深洞段圍巖為J2z泥巖，其物理力學參數(shù)如表6所列。

表6 隧洞圍巖物理力學參數(shù)Tab.6 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1反映了隧洞里程69+716橫截面(最大埋深)在不加支護措施工況下的總位移情況，圖2為該截面的塑性區(qū)示意圖。

圖1 里程69+716橫截面總位移圖(單位：m)Fig.1 Schematic diagram of total displacement in the cross section of stake number 69+716

圖2 里程YH69+716橫截面塑性區(qū)圖Fig.2 Schematic diagram of plastic zone in the cross section of stake number 69+716

從圖1可以看出：隧洞的總位移等值線大致呈橢圓形分布，洞周出現(xiàn)了10 cm以上的位移；最大位移出現(xiàn)在隧洞頂、底部位置，且隧洞頂部的最大位移量略大于隧洞底部；隧洞頂部的最大位移量為16.7 cm，隧洞底部的最大位移量為16.6 cm，主要是由滇中紅層軟巖塑性擠出引起。從圖2可以看出：隧洞兩側(cè)壁下部及底部的塑性變形以剪切變形和拉變形為主，其他位置以剪切變形為主，塑性區(qū)分布均勻，皆在1.5倍洞徑范圍內(nèi)。

數(shù)值模擬計算得出隧洞里程YH69+716橫截面的最大位移量為16.7 cm，圍巖應變?yōu)?.42%，屬于嚴重擠壓變形。該橫截面基于強度應力比的軟巖擠壓變形預測結(jié)果亦為嚴重擠壓變形。根據(jù)表2的擠壓變形程度分級標準，對應的隧洞圍巖變形量為13～26 cm，圍巖應變?yōu)?%～10%。因此，數(shù)值模擬結(jié)果與基于強度應力比的軟巖擠壓變形預測結(jié)果基本吻合，驗證了基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預測的有效性。

6 結(jié) 論

(1) 當隧洞圍巖強度應力比S<1.15時，滇中紅層軟巖隧洞將發(fā)生軟巖擠壓變形，軟巖擠壓變形程度可劃分為無擠壓、輕微、中等、嚴重、極嚴重等5級。

(2) 該引水隧洞發(fā)生軟巖擠壓變形的洞段占滇中紅層軟巖分布洞段累計長度的89.4%，軟巖擠壓變形程度總體以輕微-中等為主，最大埋深洞段為嚴重擠壓變形。

(3) 通過數(shù)值模擬分析，該引水隧洞最大埋深洞段將發(fā)生嚴重擠壓變形，數(shù)值模擬結(jié)果與基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預測結(jié)果基本吻合，驗證了基于強度應力比的滇中紅層軟巖擠壓變形預測的有效性。