柴生虎

（中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司 北京 101111）

1 引言

導(dǎo)流泄洪水工隧洞設(shè)計(jì)是蓄能水電站建設(shè)中的重要一環(huán)，其對水電站的前期導(dǎo)流和后期泄洪起著尤為關(guān)鍵的作用。由于其高地應(yīng)力作用、內(nèi)外水壓力等因素，在運(yùn)行過程中襯砌會(huì)不可避免出現(xiàn)拉裂貫穿裂縫，導(dǎo)致高壓水流沿襯砌裂縫向外流動(dòng)。研究隧洞圍巖破壞機(jī)理并提出科學(xué)的隧洞穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，對我國水工隧洞工程的發(fā)展十分必要且具有長遠(yuǎn)意義。

由于隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性及不確定性，要純粹利用解析法準(zhǔn)確計(jì)算圍巖壓力較為困難，而數(shù)值模擬考慮了巖體結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)和不連續(xù)特性，具有適應(yīng)性好、通用性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)［1］，可以通過數(shù)值模擬直觀分析圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，評(píng)價(jià)隧洞穩(wěn)定性。張夢婷和姜海波［2］通過建立高溫引水隧洞溫度－應(yīng)力耦合模型，分析不同溫差、線膨脹系數(shù)以及水平側(cè)壓力系數(shù)對噴層結(jié)構(gòu)承載能力的影響。代永文等［3］基于南京至句容城際軌道交通工程，構(gòu)建三維有限元模型，從圍巖變形方面研究充填型溶洞尺寸及溶洞與隧道間距離對圍巖穩(wěn)定性的影響。黃志平等［4］揭示了不同施工過程中應(yīng)力演化、位移擴(kuò)展、能量釋放等多個(gè)特征對圍巖穩(wěn)定性的影響及破壞機(jī)制。趙大洲等［5］建立短臺(tái)階法開挖的馬蹄形隧洞模型，研究引漢濟(jì)渭黃三段輸水隧洞圍巖－襯砌聯(lián)合承載作用機(jī)理。李燕波［6］建立熱－固耦合水工隧洞有限元模型，研究高溫地?zé)釛l件下水工隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性。劉強(qiáng)等［7］研究隧洞圍巖塑性區(qū)破壞及錨桿應(yīng)力，分析施工對圍巖穩(wěn)定性的影響。李清龍等［8］對某緩傾巖層隧道塌方機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，運(yùn)用強(qiáng)度折減法探討了強(qiáng)度折減路徑與圍巖穩(wěn)定性判定指標(biāo)的適用性，并得出兩種情況下隧道的整體安全系數(shù)。劉波［9］建立水電導(dǎo)流隧洞開挖施工模型，分析在不同工況下隧洞圍巖位移、圍巖塑性區(qū)半徑及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，研究洞室圍巖穩(wěn)定性。吳順川等［10］建立卸載巖爆試驗(yàn)數(shù)值模型，模擬巖爆過程及機(jī)制，研究細(xì)觀破裂機(jī)制和卸載巖爆的破壞過程。王帥等［11］借助離散元軟件建立節(jié)理巖體地下洞室群開挖施工模型，分析不同錨桿支護(hù)方案對洞室圍巖的加固作用。李秀茹等［12］對深埋隧道在爆破荷載作用下失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同埋深隧道圍巖的損傷演化過程和相同埋深隧道圍巖顆粒位移與應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

在邊坡工程領(lǐng)域，基于強(qiáng)度折減法顯示邊坡破壞面，求得其安全系數(shù)已在國內(nèi)外邊坡工程穩(wěn)定性分析中得到成功應(yīng)用。目前，水工隧洞工程尚沒有隧洞整體穩(wěn)定安全系數(shù)的概念，因此本文引入強(qiáng)度折減法，將安全系數(shù)作為水工隧洞施工安全度的評(píng)判指標(biāo)，用以提供隧洞整體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對隧洞的科學(xué)合理設(shè)計(jì)、安全施工及運(yùn)行具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

2 強(qiáng)度折減法理論和失穩(wěn)判別依據(jù)

2.1 強(qiáng)度折減法基本理論

強(qiáng)度折減法通常應(yīng)用于安全系數(shù)的計(jì)算，通過逐步減小材料強(qiáng)度使之達(dá)到極限平衡狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)度折減安全系數(shù)的定義為：對巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即定義安全系數(shù)為巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)折減后的剪切強(qiáng)度比值。近年來研究成果表明：強(qiáng)度折減法在公路隧道工程穩(wěn)定性分析方面可行，且基于強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定分析還可得到隧道的整體強(qiáng)度安全儲(chǔ)備系數(shù)。

強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)k過程如下：

式中：k為安全系數(shù)；S為滑面上的抗剪強(qiáng)度；τ為滑面上的實(shí)際剪切力；c為材料黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ為正應(yīng)力。將式（1）同除k，則式（1）變?yōu)椋?/p>

式中：c′為折減后的黏聚力；φ′為折減后的內(nèi)摩擦角。調(diào)整巖土體強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，然后通過不斷增加折減系數(shù)，進(jìn)行一系列的計(jì)算，直至圍巖達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。

2.2 失穩(wěn)判別依據(jù)

目前，計(jì)算穩(wěn)定性分析的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的判定準(zhǔn)則，而選取的失穩(wěn)判別依據(jù)對采用強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)取值影響很大。鑒于此，對國內(nèi)外現(xiàn)有巖土體穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行歸納總結(jié)出以下3種：數(shù)值計(jì)算不收斂、某處位移突變、塑性區(qū)范圍。

本文選擇將隧洞圍巖塑性區(qū)的變化及隧洞圍巖位移變化情況作為主要失穩(wěn)判別依據(jù)，即在強(qiáng)度折減過程中，隧洞周圍巖體塑性變形區(qū)發(fā)生明顯的擴(kuò)張貫通，同時(shí)伴隨著隧洞圍巖發(fā)生位移突變情況時(shí)，認(rèn)為隧洞出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，所設(shè)定的強(qiáng)度折減系數(shù)k值則為該工況的穩(wěn)定性系數(shù)。

3 圓形隧洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)隧洞現(xiàn)場水文資料，采用臺(tái)階法開挖并施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，分別對Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減，計(jì)算導(dǎo)流泄洪隧洞圓形斷面在不同質(zhì)量等級(jí)圍巖下的安全系數(shù)，以分析隧洞圍巖穩(wěn)定性。圓形隧洞及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

圖1 圓形隧洞開挖模型

圖2 圓形隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

3.2 Ⅲ級(jí)圍巖

對Ⅲ級(jí)圍巖下的圓形隧洞進(jìn)行遞進(jìn)式強(qiáng)度折減，分析在各個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)下，圓形隧洞Ⅲ級(jí)圍巖的塑性區(qū)變形特征及最大位移量變化特征，確定安全系數(shù)，對隧洞穩(wěn)定性做定量分析。

（1）圍巖塑性區(qū)變化情況

在強(qiáng)度折減系數(shù) k為1.1、1.5、1.7、2.1的情況下，隨著隧洞圍巖強(qiáng)度折減系數(shù)的依次增加，隧洞周圍的塑性區(qū)由最初的不明顯不斷向四周擴(kuò)充，整體穩(wěn)定性持續(xù)降低，隧洞圍巖逐漸出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的跡象。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k＝2.1時(shí)，巖體穩(wěn)定性急劇減弱，在底拱處巖體內(nèi)出現(xiàn)貫通，發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

（2）最大位移變化情況

圓形隧洞Ⅲ級(jí)圍巖在各強(qiáng)度折減系數(shù)條件下，頂拱與邊墻最大位移量變化如圖3所示。

圖3 Ⅲ級(jí)圍巖關(guān)鍵點(diǎn)處豎向最大位移量

由圖3可知，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的依次遞增，頂拱與邊墻處巖體豎向位移量也逐漸攀升，但位移量增幅很小，曲線較平緩；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k達(dá)到2.1時(shí)，隧洞頂拱與邊墻處豎向位移量發(fā)生突變，隧洞巖體穩(wěn)定性驟然下降。因此，圓形隧洞Ⅲ級(jí)圍巖的安全系數(shù)為2.1。

3.3 Ⅳ級(jí)圍巖

對圓形隧洞Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)行遞進(jìn)式強(qiáng)度折減，分析在各個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)下，圓形隧洞Ⅳ級(jí)圍巖的塑性區(qū)變形特征及最大位移量的變化特征，確定安全系數(shù)，對隧洞穩(wěn)定性做定量分析。

（1）圍巖塑性區(qū)變化情況

在強(qiáng)度折減系數(shù) k為1.1、1.3、1.5、1.7的情況下，圓形隧洞在Ⅳ級(jí)圍巖下的塑性區(qū)變化和Ⅲ級(jí)圍巖類似，隧洞周圍的塑性區(qū)由最初的不明顯不斷向四周不均勻擴(kuò)充。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k＝1.7時(shí)，巖體穩(wěn)定性急劇減弱，出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

（2）最大位移變化情況

圓形隧洞Ⅳ級(jí)圍巖在各個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)條件下，頂拱與邊墻最大位移量變化如圖4所示。

圖4 Ⅳ級(jí)圍巖關(guān)鍵點(diǎn)處豎向最大位移量

由圖4可知，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的依次遞增，頂拱與邊墻處巖體豎向位移量隨之逐漸攀升，但是位移量增幅很小，曲線較平緩；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k達(dá)到1.7時(shí)，隧洞頂拱與邊墻處豎向位移量發(fā)生突變，隧洞巖體穩(wěn)定性驟然下降。因此，圓形隧洞Ⅳ級(jí)圍巖的安全系數(shù)為1.7。

3.4 Ⅴ級(jí)圍巖

對圓形隧洞Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行遞進(jìn)式強(qiáng)度折減，分析在各個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)下，圓形隧洞Ⅴ級(jí)圍巖的塑性區(qū)變形特征及最大位移量的變化特征，確定安全系數(shù)，對隧洞穩(wěn)定性做定量分析。

（1）圍巖塑性區(qū)變化情況

在強(qiáng)度折減系數(shù) k為1.1、1.3、1.4、1.5的情況下，相較于Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖，在Ⅴ級(jí)圍巖下隧洞的塑性區(qū)變化不夠平緩，在巖體強(qiáng)度折減過程中，隧洞周圍塑性變形區(qū)的范圍隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大而逐漸增加；并且由于Ⅴ級(jí)圍巖自身穩(wěn)定性較差，在相同的強(qiáng)度折減系數(shù)情況下隧洞Ⅴ級(jí)圍巖塑性變形區(qū)范圍及變形速度整體上均明顯大于前兩種等級(jí)圍巖。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k＝1.5時(shí)，隧洞底拱處、兩壁處塑性變形區(qū)發(fā)生明顯的貫通現(xiàn)象，巖體穩(wěn)定性迅速減弱。

（2）最大位移量變化

圓形隧洞Ⅴ級(jí)圍巖在各個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)下，頂拱處最大位移量變化與邊墻處最大位移量變化如圖5所示。

圖5 Ⅴ級(jí)圍巖關(guān)鍵點(diǎn)處豎向最大位移量

由圖5可知，與Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖類似，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的依次遞增，頂拱與邊墻處巖體豎向位移量也逐漸攀升，但是位移量增幅較小，位移曲線整體變化幅度不大；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k達(dá)到1.5時(shí)，隧洞頂拱與邊墻處豎向位移量變化曲線發(fā)生突變，位移量增幅驟然加大，隧洞巖體穩(wěn)定性急劇下降。因此，通過對塑性變形區(qū)及最大位移量分析可知，圓形隧洞Ⅴ級(jí)圍巖的安全系數(shù)為1.5。

4 結(jié)論

根據(jù)抽水電站工程實(shí)際情況，運(yùn)用強(qiáng)度折減系數(shù)法，分別計(jì)算分析了圓形隧洞在Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖情況下，隧洞圍巖塑性區(qū)及隧洞各處最大位移量的變化特征并得出隧洞安全系數(shù)。通過上述分析，得出以下結(jié)論：

（1）在Ⅲ級(jí)巖體條件下，縉云抽水蓄能電站圓形水工隧洞安全系數(shù)為2.1；在Ⅳ級(jí)巖體的條件下，圓形水工隧洞安全系數(shù)為1.7；在Ⅴ級(jí)巖體的條件下，圓形水工隧洞安全系數(shù)為1.5?？梢钥闯觯冖跫?jí)圍巖下，強(qiáng)度安全儲(chǔ)備不高，建議對Ⅴ級(jí)圍巖地段隧洞采取額外加固措施。

（2）隨著強(qiáng)度折減系數(shù)k值逐漸增大，隧洞周圍的塑性區(qū)及隧洞各處最大位移量也逐漸發(fā)生明顯的擴(kuò)大現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)k值達(dá)到隧洞圍巖穩(wěn)定性的臨界點(diǎn)時(shí)，隧洞周圍塑性變形區(qū)發(fā)生明顯的貫通現(xiàn)象，并且隧洞各處最大位移量發(fā)生突變式增大，隧洞圍巖完整性變差，隧洞最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（3）運(yùn)用強(qiáng)度折減法求解水工隧洞安全系數(shù)，并對隧洞整體穩(wěn)定性做出定量評(píng)價(jià)是可行的。該方法不僅可以分析隧洞的失穩(wěn)破壞狀態(tài)和安全系數(shù)，以此來評(píng)價(jià)隧洞穩(wěn)定性，而且可依據(jù)安全系數(shù)的大小評(píng)定隧洞設(shè)計(jì)的合理性，并對其設(shè)計(jì)方案和施工方法提出改進(jìn)措施。此外還可根據(jù)安全系數(shù)與巖體質(zhì)量等級(jí)的關(guān)系，考慮將隧洞安全系數(shù)作為評(píng)判隧洞圍巖分類等級(jí)的指標(biāo)。