韓 鋼，黃書嶺，丁秀麗，馬旭強(qiáng)，張雨霆，何 軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

滇中引水工程是我國(guó)目前在建規(guī)模最大、投資最多的水資源配置工程[1]。工程位于云南省境內(nèi)，由水源工程和輸水工程組成(見圖1)，輸水工程全線總長(zhǎng)664.24 km，其中引水隧洞長(zhǎng)度達(dá)611.99 km，占線路總長(zhǎng)的92.13%。滇中引水工程引水規(guī)模大、隧洞線路長(zhǎng)、穿越地質(zhì)條件復(fù)雜，存在巖溶地下水、活動(dòng)斷裂、高地應(yīng)力、軟巖大變形等重大工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題，其工程規(guī)模和工程技術(shù)難度均居世界前列[2-3]。

圖1 滇中引水工程線路Fig.1 Route map of the water diversion project in central Yunnan Province

香爐山隧洞作為滇中引水工程輸水線路大理I段的首個(gè)建筑物，也是全線地質(zhì)條件最復(fù)雜的深埋長(zhǎng)隧洞，是滇中引水的關(guān)鍵性控制工程。隧洞起于麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)望城坡，止于大理州鶴慶縣松桂鎮(zhèn)河北—河西村一帶。香爐山隧洞穿越地段地質(zhì)條件復(fù)雜，跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，沿線穿越大栗樹斷裂(F9)等13條大斷(裂)層，其中龍?bào)础獑毯髷嗔?F10)、麗江—?jiǎng)Υ〝嗔?F11)和鶴慶—洱源斷裂(F12)等為全新世活動(dòng)斷裂，主要地質(zhì)問題有斷層破碎帶、高地應(yīng)力下軟巖大變形和局部巖爆、突水涌泥等[4-7]。香爐山隧洞5#支洞作為勘察試驗(yàn)性項(xiàng)目之一先期開工，在施工期作為處理麗江—?jiǎng)Υ〝嗔褞?F11)及其影響帶的施工通道，一方面其形成的工作面可為后續(xù)香爐山隧洞全面開工提供良好的條件；另一方面5#施工支洞進(jìn)一步探明了地質(zhì)條件、積累了設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為進(jìn)一步研究和解決香爐山深埋長(zhǎng)隧洞類似關(guān)鍵地質(zhì)問題提供了研究對(duì)象和試驗(yàn)空間。

本文的主要研究對(duì)象是香爐山隧洞5#支洞發(fā)生過涌水突泥的應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段(樁號(hào)K0+501—526)，此洞段圍巖主要為斷層破碎帶，巖體破碎、地下水豐富，以Ⅴ類圍巖為主，巖體自穩(wěn)能力極差，易發(fā)生掉塊、塌方等災(zāi)害，圍巖整體穩(wěn)定問題極為突出。但是受現(xiàn)場(chǎng)施工條件及取樣、制樣難的限制，尚未開展過系統(tǒng)的室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)研究，導(dǎo)致設(shè)計(jì)及施工技術(shù)人員缺乏對(duì)圍巖力學(xué)特性的精確把握。目前，圍巖力學(xué)參數(shù)的確定過程一般是在室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，結(jié)合圍巖的工程地質(zhì)及水文條件，采用工程類比方法[8]或經(jīng)驗(yàn)公式方法(如Hoek Brown準(zhǔn)則[9])確定[10]。在缺乏現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)成果的條件下，如何相對(duì)合理地確定圍巖力學(xué)參數(shù)是本項(xiàng)目中重要的研究課題。對(duì)此，孫鈞等[11]、金長(zhǎng)宇等[12]、田明俊等[13]、陳炳瑞等[14]及江權(quán)等[15]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及物探信息在圍巖力學(xué)參數(shù)反演方面開展了大量研究工作?；谏鲜鲅芯砍晒疚某浞掷矛F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及物探資料，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的位移反演方法對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理反演，并對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析。相關(guān)研究成果對(duì)5#支洞后續(xù)洞段或相近條件隧洞安全快速施工也具有指導(dǎo)意義。

2 工程概況

香爐山隧洞5#支洞布置于汝南河斷層槽谷左岸山體的邊緣部位，山體第一坡頂高程一般2 918～3 085 m，地勢(shì)總體SE高NW低，坡角一般20°～40°。施工支洞除洞口少量第四系覆蓋層外，穿越的主要地層巖性為第三系侵入巖-安山質(zhì)玄武巖(Nβ)，三疊系中統(tǒng)北衙組上段(T2b2)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，二疊系噴出巖(Pβ)玄武巖，如圖2所示。根據(jù)地下水的賦存條件和運(yùn)移形式，支洞區(qū)地下水類型主要有孔隙水、基巖孔隙-裂隙水和裂隙-溶隙水。

圖2 5#施工支洞軸線工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Axial engineering geological profile of 5# adit

5#支洞為斜井形式，平均坡度24.71°，橫斷面為城門洞型，凈斷面尺寸6.5 m×6.0 m(寬×高)，應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段(樁號(hào)K0+501—526)平均埋深約350 m(圖2中黃色虛線框所圈區(qū)域)。該段位于石灰窯斷裂(FⅡ-4)下盤碎裂巖帶，原巖主要為第三系淺灰綠色安山質(zhì)玄武巖(Nβ)，局部夾角礫巖，受構(gòu)造擠壓及風(fēng)化作用影響，掌子面左壁圍巖以碎裂結(jié)構(gòu)為主，巖面較新鮮，巖質(zhì)較堅(jiān)硬；右壁圍巖巖體破碎，以散體結(jié)構(gòu)為主，巖質(zhì)總體較疏松；局部泥化，性狀差—極差。巖體中局部發(fā)育裂隙，主要發(fā)育2組：①組產(chǎn)狀：45°～120°∠50°～68°；②組產(chǎn)狀：309°～321°∠12°～37°；出露長(zhǎng)度一般3～5 m，裂面平直、粗糙，一般呈閉合狀，無充填或充填厚度2～5 mm的泥質(zhì)，性狀較差；地下水豐富，巖體濕潤(rùn)，掌子面及后方30 m范圍內(nèi)出水量較大，綜合評(píng)判為Ⅴ類圍巖。

根據(jù)5#施工支洞周邊基于水力致裂法獲得的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，總結(jié)隧洞周圍的地應(yīng)力場(chǎng)整體符合下列特征[16]：

式中：σH為水平大主應(yīng)力；σh為水平小主應(yīng)力；γ為圍巖重度；H為隧洞埋深。

最大水平主應(yīng)力取值范圍為-10～-11 MPa，豎直應(yīng)力取值范圍為-7～-8 MPa，最大水平主應(yīng)力的方向29°～42°(NNE—NE向，與麗江劍川斷裂走向基本一致)，與5#施工支洞的走向(NE50°)夾角7°～20°，呈小角度夾角，利于支洞施工。

3 考慮施工過程的三維計(jì)算模型

3.1 模型概況

根據(jù)香爐山隧洞5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段(樁號(hào)K0+501—526)，建立的模型尺寸為60 m×60 m×85 m(長(zhǎng)×寬×高)，如圖3所示。計(jì)算模型的所有外邊界采用位移邊界條件，根據(jù)5#施工支洞附近的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于埋深<400 m的洞段，初始地應(yīng)力場(chǎng)的水平向大主應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)取為1.4。由于應(yīng)急搶險(xiǎn)段圍巖主要為斷層帶，因此，模型中各部分圍巖的初始力學(xué)參數(shù)整體在斷層破碎帶規(guī)定的取值范圍內(nèi)進(jìn)行取值[17]，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的巖性、完整程度以及水文環(huán)境等條件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖3 三維計(jì)算模型Fig.3 Three-dimensional simulation model

3.2 施工開挖過程及模擬

香爐山隧洞5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段施工過程曲折，施工難度大，詳細(xì)的開挖過程及相應(yīng)的開挖模型總結(jié)于圖4中：①2020年11月，掌子面K0+526發(fā)生突泥涌水，掌子面退回至樁號(hào)K0+513，此時(shí)，二襯施工至樁號(hào)K0+507，初支施工至樁號(hào)K0+526；②2021年4月，樁號(hào)K0+501—507圍巖完成徑向固結(jié)灌漿；③2021年8月15日，樁號(hào)K0+513第一階段降挖完成，底部還有2.9 m未開挖；④2021年11月，樁號(hào)K0+507—530圍巖超前固結(jié)灌漿完成；⑤2021年11月26日，樁號(hào)K0+513掌子面爆破開挖；⑥2021年12月，樁號(hào)K0+513—520上臺(tái)階完成開挖，并架拱，樁號(hào)K0+520—522上臺(tái)階止?jié){墻澆筑，此時(shí)掌子面在樁號(hào)K0+520；⑦2022年4月9日，樁號(hào)K0+520止?jié){墻開始打爆破孔、開挖，上臺(tái)階開挖支護(hù)到樁號(hào)K0+529；⑧2022年4月23日，樁號(hào)K0+528.4處止?jié){墻澆筑完成(止?jié){墻厚度2 m)；⑨2022年4月26—30日，樁號(hào)K0+507—513下臺(tái)階開挖完成；⑩ 2022年5月3日，樁號(hào)K0+513—523底板降挖；○11 2022年6月29日，樁號(hào)K0+525—527底板降挖；○12 2022年7月1日，樁號(hào)K0+529止?jié){墻爆破，樁號(hào)K0+520—528底板降挖、出渣。

圖4 開挖施工過程Fig.4 Process of excavation of 5# adit

3.3 支護(hù)措施

在樁號(hào)K0+513—526重新開挖過程中，采取了如下支護(hù)措施。

3.3.1 超前支護(hù)

(1)超前大管棚：在樁號(hào)K0+513止?jié){墻頂拱施作超前大管棚支護(hù)(Φ108 mm×6 mm，L=20～24 m，間距1.0 m，排距1.0 m)，采用普通水泥和超細(xì)水泥灌漿。

(2)超前小導(dǎo)管：在樁號(hào)K0+513止?jié){墻頂拱施作超前小導(dǎo)管(Φ42 mm×3.5 mm，L=4.5 m，排距1.0 m，間距20 cm)，超前小導(dǎo)管采用SC1高滲材料進(jìn)行灌漿，兼顧形成二次超前固結(jié)灌漿的效果，灌漿壓力暫定1.0 MPa。小導(dǎo)管外偏角10°～15°。

(3)超前錨桿：掌子面施作FRP玻璃纖維錨桿(Φ25 mm，L=4.5 m，間距1.5 m，排距1.5 m)。

3.3.2 初期支護(hù)

(1)鋼拱架：隧洞邊墻和頂拱施作鋼拱架(I25工字鋼，鋼支撐間距0.5 m，Φ25 mm連接筋間距0.5 m，采用Φ6 mm掛網(wǎng)鋼筋，網(wǎng)片間距0.2 m×0.2 m)；上臺(tái)階每榀鋼支撐采用12根L=4.5 m的鎖腳錨管，下臺(tái)階每榀鋼支撐另外施作8根L=4.5 m的鎖腳錨管，為增加鋼支撐的整體性，在隧洞邊墻和頂拱施作3根20#槽鋼縱向連接鋼支撐。此外，為了加強(qiáng)支護(hù)，樁號(hào)K0+513—526洞段施作雙層鋼拱架。

(2)鎖腳錨管：每榀鋼支撐設(shè)置20根鎖腳錨管(熱軋無縫鋼管Φ42 mm×3.5 mm，L=4.5 m)，下傾25°～30°。

(3)混凝土初襯：在隧洞洞壁噴射厚度為0.2 m的C25混凝土。

計(jì)算模型中洞段K0+513—526支護(hù)情況如圖5所示，相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 1 Support parameters

圖5 洞段K0+501—526支護(hù)情況Fig.5 Support arrangement in segment K0+501—526

4 應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段圍巖參數(shù)反演

4.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的位移反演分析

2020年11月，樁號(hào)K0+526掌子面發(fā)生突水突泥事故，將掌子面重新推回到了樁號(hào)K0+513；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是基于開挖涌水突泥段得到的。因此，本次力學(xué)參數(shù)反演的目標(biāo)位移主要是針對(duì)突水突泥段開挖引起的圍巖變形。

基于監(jiān)測(cè)位移的反演方法稱為位移反演法。由于巖土體是十分復(fù)雜的天然地質(zhì)體，其變形破壞特征受其賦存特征、工程荷載、環(huán)境條件以及時(shí)間等諸多因素影響，具有高度的不確定性和非線性。采用常規(guī)的位移反分析方法會(huì)存在計(jì)算工作量大、收斂速度慢等問題，通常很難獲得令人滿意的結(jié)果。針對(duì)這個(gè)問題，本研究采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的位移反演方法，其基本思路為：先采用數(shù)值方法建立工程巖體的計(jì)算模型，通過大量數(shù)值分析獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本；再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和記憶功能對(duì)樣本進(jìn)行逆辨識(shí)學(xué)習(xí)，即訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)；然后利用遺傳算法的全局優(yōu)化性能對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值進(jìn)行優(yōu)化；由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能建立圍巖位移與待反演參數(shù)之間的特征關(guān)系；最后，將實(shí)測(cè)位移代入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反分析。

詳細(xì)的圍巖位移反演分析步驟為：

(1)由相關(guān)文獻(xiàn)資料、地質(zhì)宏觀分析及工程經(jīng)驗(yàn)等確定待反演參數(shù)(變形模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力)取值范圍，如表2所示。

表2 5#洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surroun-ding rock mass of emergency rescue section in adit 5#

(2)采用均勻設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)多參數(shù)多種水平的試驗(yàn)組合，得到多組正分析樣本。

(3)將上述樣本輸入經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練，得到待反演參數(shù)與監(jiān)測(cè)部位位移計(jì)算值的非線性映射關(guān)系。

(4)將實(shí)際監(jiān)測(cè)值輸入訓(xùn)練完備的網(wǎng)絡(luò)中，即可得到要反演的力學(xué)參數(shù)。

(5)用所得到的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行正分析，預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)部位巖體位移，并評(píng)價(jià)反演結(jié)果。

4.2 位移反演結(jié)果

在5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段進(jìn)行了圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)工作，本次位移反演中采用的是樁號(hào)K0+515、K0+518.5和K0+522三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面處的位移收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 圖6展示了采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的位移反演方法最終得到的不同監(jiān)測(cè)斷面上的位移收斂反演結(jié)果與相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比。 圖6中A點(diǎn)位于頂拱， B點(diǎn)位于左拱座， C點(diǎn)位于右拱座。 對(duì)比結(jié)果表明： 數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體上能夠反映出5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段中右拱肩及邊墻處的變形量明顯大于其他部位這一現(xiàn)狀； 此外， 不同部位處圍巖的變形規(guī)律與實(shí)際收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性； 由于本計(jì)算模型中未考慮滲透壓及孔隙滲流的影響， 某些監(jiān)測(cè)點(diǎn)出位移會(huì)存在一定偏差。

圖6 數(shù)值反演結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)收斂計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果柱狀對(duì)比Fig.6 Comparison between numerical inversion and field convergence monitoring

采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的位移反演分析方法確定的圍巖力學(xué)參數(shù)如表2所示(下劃線數(shù)值)。

4.3 圍巖穩(wěn)定性分析

基于上述反演得到的圍巖力學(xué)參數(shù)，模擬5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段的實(shí)際開挖支護(hù)過程，計(jì)算得到隧洞圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等，并對(duì)當(dāng)前應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

4.3.1 圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布特征

圖7(a)給出了應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段的位移場(chǎng)的縱剖面斜側(cè)視圖，從圖中可以看出隧洞內(nèi)部最大位移集中在樁號(hào)K0+501—513洞段的右邊墻，其次是底板區(qū)域。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于隧洞右側(cè)圍巖為力學(xué)特性相對(duì)更差的碎粉巖(見圖3)，相應(yīng)的圍壓變形也最大。

圖7 圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布特征Fig.7 Distribution features of displacement field, stress field and plastic zones of surrounding rock

圖7(b)給出了最大主應(yīng)力場(chǎng)分布云圖，從圖中可以看出在開挖擾動(dòng)下，隧洞底板和左右邊墻以卸荷松弛為主，掌子面由于澆筑了2 m厚的混凝土止?jié){墻，整體上表現(xiàn)出一定程度的應(yīng)力集中。

圖7(c)給出了開挖導(dǎo)致的圍巖塑性區(qū)分布特征，從圖中可以看出隧洞底板附近的塑性區(qū)深度較深(3～5 m)，邊墻區(qū)域塑性區(qū)深度在2～4 m之間，頂拱上的塑性區(qū)深度大約為2 m，掌子面由于置換成了混凝土止?jié){墻，其強(qiáng)度較高，幾乎無塑性區(qū)出現(xiàn)。

4.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)

為了應(yīng)對(duì)5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)段的圍巖大變形、掉塊甚至塌方危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用了鋼拱架等強(qiáng)力支護(hù)措施及超前大管棚和超前注漿小導(dǎo)管等超前支護(hù)措施。隧洞開挖后圍巖內(nèi)鋼拱架、超前管棚及超前注漿小導(dǎo)管的彎矩分布特征如圖8(a)所示，從圖中可知彎矩>10 000 N·m的鋼拱架主要分布在隧洞右側(cè)邊墻，頂拱部位鋼拱架彎矩在0～1 000 N·m范圍內(nèi)；樁號(hào)K0+513—520頂拱處的超前大管棚及小導(dǎo)管上的彎矩較大，集中在1 000～3 000 N·m范圍內(nèi)，主要原因是由于該洞段發(fā)生過涌水突泥，頂拱處圍巖完整性更差。

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)上的彎矩和軸向應(yīng)力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of bending moment and axial stress on support structure

圖8(b)給出了支護(hù)結(jié)構(gòu)上的軸向應(yīng)力分布特征圖，從圖中可以看出，鋼拱架上的軸向應(yīng)力量值整體在50～100 MPa范圍內(nèi)；最大值主要分布在前后施工開挖步的連接部位，范圍較小，主要為壓應(yīng)力，接近400 MPa，；而掌子面附近的超前小導(dǎo)管存在明顯拉應(yīng)力，量值在200～300 MPa之間。

通過對(duì)5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段進(jìn)行施工開挖、支護(hù)全過程模擬計(jì)算，認(rèn)為5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，除樁號(hào)K0+501—513洞段右邊墻圍巖變形量較大外，其余部位圍巖變形量整體<15 cm，塑性區(qū)深度在2～5 m范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力整體處于正常水平。

5 結(jié) 論

本文對(duì)在建的香爐山隧洞5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段(樁號(hào)K0+501—526)圍巖穩(wěn)定問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。充分利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及物探資料，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的位移反演方法確定了應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段圍巖的基本力學(xué)參數(shù)；并詳細(xì)總結(jié)、模擬了應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段施工開挖、支護(hù)全過程；最后，進(jìn)行了隧洞的圍巖穩(wěn)定性分析。得到以下主要結(jié)論：

(1)反演得到了能夠合理反演應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段的圍巖力學(xué)參數(shù)。

(2)在當(dāng)前開挖支護(hù)條件下，5#支洞應(yīng)急搶險(xiǎn)洞段整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，除樁號(hào)K0+501—513洞段右邊墻圍巖變形量較大外，其余部位圍巖變形量整體<15 cm，塑性區(qū)深度在2～5 m范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力整體處于正常水平。

研究結(jié)果對(duì)于5#支洞后續(xù)洞段或相近條件隧洞安全快速施工具有一定指導(dǎo)意義。