高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析_周泽林
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（ Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan， China） Abstract： Taking the construction of deeply buried diversion tunnel as the study background，the distribution characteristics of the peripheral displacement，surrounding rock deformation and timedependant development law of supporting stress are studied in combination with the relevant labexperiment，numerical simulation，measured data of monitoring on construction deformation and in situ test on surrounding rocklining contact pressure based on the understanding of the property of surrounding rock pressure that causes large deformation and the analysis on the mechanical behavior concerned. The study result shows that（ 1 ） within the environment of the high geostress with the major principal stress in a vertical direction，the larger deformation of soft rock is mainly the extrusion deformation； （ 2 ） the excavating face and the secondary lining play important roles on constraining the spatial displacement distribution of tunnel； （ 3 ） the development of soft surrounding rock deformation and the supporting stress have obvious rheological behaviors and time effects，and then placing the secondary lining can effectively restrict the development of the rheological deformation. On the basis of this study， some suggestions favorable to control the surrounding rock stability during construction are finally proposed as well. Key words： high geostress zone； numerical simulation； in situ test； extrusion deformation； surrounding rock stability
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周泽林， 等∥高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析
文采用能够描述岩体非线性几何变形特征的 Flac3D 程序进行数值计算，分析高地应力作用下软弱围岩开 挖后毛洞的塑性区和位移分布特点 。 算例 ： 围岩参数 ， 弹性模量 E = 1. 0 GPa ， 粘聚
3 力 c = 0. 195 MPa ， 容重 γ = 20 kN / m ， 内摩擦角 = 26. 5° ， 侧 压 力 系 数 u = 0. 38 ， 埋 深 h = 600 m ，
隧洞开挖之后，原岩应力一部分将以形变能的形式随 着围岩变形而释放，另外一部分将向围岩内部深处转 移，通过应力重分布的方式以达到新的平衡状态
［1 ］
பைடு நூலகம்
50218 —94 ） 可判定［5］， 围岩处于极高地应力区， 可 认为隧洞存在高地应力问题。 2. 2 施工中遇到的大变形问题
#
。
深埋软弱岩体中洞室开挖后的应力集中现象可能会使 岩体应力水平会超过围岩强度， 形成塑性应力区域， 发生塑性剪切滑移或者塑性流动
［ 2 ］
施工中 6 支洞上游处引水隧洞出现了严重的软 岩大变形，表现为： （ 1 ） 变形量值大， 一般变形量为 100 ～ 500 mm， 拱顶最大沉降量达 350 mm， 边墙最 大收敛量达 920 mm， 导致钢拱架严重扭曲变形， 初 期支护侵入二衬净空； （ 2 ） 围岩速率快， 且变形分布 极不均匀； （ 3 ） 围岩变形滞后， 持续变形时间长， 现 场监测发现，有些洞段开挖一个月后仍在继续变形 。
圆形断面 ， 半径 4 m 。 以二维平面应变问题按大变 形条件进行计算 ， 计算结果见图 3 和图 4 。
图1
3
3. 1
围岩大变形机理的分析与判识
大变形力学行为分析
隧洞开挖后围岩力学行为随时间的演变可以分为 ［2 ］ 四个阶段 ： 第一阶段， 隧洞开挖后一定范围内的 围岩应力重分布和残余地应力释放 ； 第二阶段，围岩 在重分布应力场作用下将发生位移， 形成松弛变形， 该阶段施加于支护结构上的荷载称为“形变荷载 ” 或 “松弛压力 ” ； 第三阶段， 当松弛变形持续发展到 者 一定阶段，围岩在薄弱处产生局部破坏； 第四阶段， ， 引发隧洞坍塌 变形继续发展引起岩块脱离“母体 ” 。值 或以自重形式作用于支护结构形成“松散压力 ” 得一提的是，针对软岩隧洞，围岩中常含有某些亲水 性矿物（ 如高岭石、 蒙脱土、 绿泥石等 ） ， 这些矿物 “水—岩作用 ” ， 围岩体积会增大， 力学性 遇水后经 “膨胀压力” 施加于支护结构上。 质恶化，并产生 分析可知，不同性质的围岩压力将导致不同类别 的围岩大变形，按其力学成因可以分为三类： 松散性 大变形、膨胀性大变形和松弛挤压型大变形 。松散性 大变形一般是支护滞后使围岩变形过度而失控诱发 的，施工中注意及时支护是可预防的 。而膨胀性大变 形和松弛挤压型大变形则是由软岩自身的物理力学特 性和所处的高地应力环境决定的 。 3. 2 膨胀性大变形的判识 为了探明引水隧洞围岩的膨胀性变形在总变形量 值中的贡献程度， 掌握围岩的物理、 化学和力学特 性，从现场采取岩样进行了扫描电镜—能谱分析实 验、自由膨胀率和膨胀力压缩实验。 扫描电镜—能谱分析实验能获取岩石的微观结构 和矿物组成。从 SEM 图像 （ 见图 1 ） 分析得出： 岩石 微观结构中以片状矿物含量居多， 含有部分粒状矿 物，片状矿物有定向性，片状矿物粒径 2 ～ 5 μm； 从 试样能谱图（ 见图 2 ） 分析得出： 岩石矿物成分主要为 绢云母，含伊利石和蒙脱石。
1
引
言
水隧洞已不可避免。处于原始应力场中的天然岩体在
随着我国西部大开发和可持续发展战略的实施 ， 以水利水电基础设施建设为代表的西部水资源开发与 利用正在飞速发展。我国西部山地和高原集中，地形 高差悬殊，因此，在高地应力环境下修建深埋长大引
W ater Ｒesources and Hydropower Engineering V ol. 45 No. 2
水利水电技术 第 45 卷 2014 年第 2 期
2
2. 1
工程背景
依托工程和地应力环境
洞松水电站工程区位于四川省甘孜州硕曲河中下 游段乡城县境内，是硕曲河干流乡城、得荣段水电规 “一库六级 ” 划 开发方案中的第四级电站， 其引水隧 洞长 17. 862 km，海拔高程 2 500 ～ 3 000 m，埋深 450 ～ 650 m。岩性以千枚岩、泥质板岩和变质砂岩为主。 通过岩石取样进行室内岩石试验和点荷载试验得出 ： 岩石弹性模量介于 0. 9 ～ 2. 0 GPa 之间， 抗压强度介 于 11. 6 ～ 35. 8 MPa 之间。 工程区域地质构造较复杂，处于南北向德格—乡 城断裂带内，构造应力场在空间分布上很不均匀 。水 压致裂法原位地引力测试资料显示 ： 洞身段地应力以 垂直地应力为主，最大水平主应力为 18. 60 MPa， 方 向为 NE15° 。部分测段岩石饱和抗压强度和垂直最大 《工程岩体分级标准 》 （ GB 地应力比 Ｒ c / σ max ＜ 4 ，根据
中图分类号： TU451. 2 文献标识码： A 文章编号： 1000-0860 （ 2014 ） 02-0087-06
Stability analysis on soft and weak surrounding rock of diversion tunnel in high geostress zone ZHOU Zelin，CHEN Shougen，LI Yansong，ZHANG Xiaoming
收稿日期： 2013-04-11 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助 （ SWJTU11ZT33 ） ； 教育部创新团队发展计划资助（ IＲT0955 ） 。 作者简介： 周泽林（ 1986 —） ，男，四川雅安人，博士研究生。
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周泽林， 等∥高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析
。软岩具有的流变
特性决定了其在高地应力作用下将发生松弛和蠕变变 形现象，如果支护型式和时机不当， 易发生大变形， 造成衬砌破坏。国外典型软岩大变形工程实例有： 奥 地利陶恩隧道洞壁最大变形量达 1 000 mm； 日本惠那 山隧道在施工中侧壁位移达 880 mm，埋深达 2 300 m ［ 3 ］ ［ 4 ］ 的哥达基线隧道 等； 国内典型的工程例子有 ： 乌 鞘岭隧道施工中拱顶下沉量高达 1 050 mm； 木寨岭隧 道最大变形量达 1 000 mm； 锦屏二级水电站引水隧洞 侧壁位移最大值达 400 mm。这些发生大变形的隧道 共同特点是： 深埋高地应力、围岩软弱、洞壁变形量 大且变形时间效应明显。 目前对于隧洞软岩大变形还没有一个明确的定 义，理论上尚缺乏系统的研究。对于广泛存在于我国 西部山区的深埋高地应力特殊软岩地质环境 ，通过解 析方法很难获得符合实际情况的结论值 ，施工中的处 理对策也多有分歧。笔者以洞松水电站引水隧洞施工 为工程依托，研究了高地应力环境下软弱围岩的变形 特征和空间分布规律，分析了实际施工中围岩变形与 支护受力随时间的发展规律，做出了符合实际的隧洞 围岩稳定性综合评价和建议，得出了一些有益的结论 与建议。
水利水电技术 第 45 卷 2014 年第 2 期
高地应力环境下引水隧洞软弱 围岩稳定性分析
周泽林，陈寿根，李岩松，张小明
（ 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室 ，四川 成都 610031 ）
要： 以实际深埋软岩引水隧洞施工为背景 ，在对导致大变形的围岩压力性质认识和力学行为分析 的基础上，结合室内实验、数值模拟手段、施工变形监测数据和围岩—衬砌接触压力现场试验，研究 摘 了隧洞开挖后洞周位移分布特征 、围岩变形和支护受力随时间发展规律 。 研究结论表明： （ 1 ） 大主应 力方向为垂直方向的高地应力环境中 ，隧洞软岩大变形以挤压型变形为主 ； （ 2 ） 开挖面和二衬对约束 隧洞空间位移分布具有重要作用； （ 3 ） 软弱围岩变形发展和支护受力具有明显的流变特性和时间效 应，及时施加二衬能有效限制流变变形的发展 。在研究基础上提出了一些施工中有益于控制围岩稳定 性的建议。 关键词： 高地应力； 数值模拟； 现场试验； 挤压型变形； 围岩稳定性
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周泽林， 等∥高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析
文采用能够描述岩体非线性几何变形特征的 Flac3D 程序进行数值计算，分析高地应力作用下软弱围岩开 挖后毛洞的塑性区和位移分布特点 。 算例 ： 围岩参数 ， 弹性模量 E = 1. 0 GPa ， 粘聚
3 力 c = 0. 195 MPa ， 容重 γ = 20 kN / m ， 内摩擦角 = 26. 5° ， 侧 压 力 系 数 u = 0. 38 ， 埋 深 h = 600 m ，
隧洞开挖之后，原岩应力一部分将以形变能的形式随 着围岩变形而释放，另外一部分将向围岩内部深处转 移，通过应力重分布的方式以达到新的平衡状态
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பைடு நூலகம்
50218 —94 ） 可判定［5］， 围岩处于极高地应力区， 可 认为隧洞存在高地应力问题。 2. 2 施工中遇到的大变形问题
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深埋软弱岩体中洞室开挖后的应力集中现象可能会使 岩体应力水平会超过围岩强度， 形成塑性应力区域， 发生塑性剪切滑移或者塑性流动
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施工中 6 支洞上游处引水隧洞出现了严重的软 岩大变形，表现为： （ 1 ） 变形量值大， 一般变形量为 100 ～ 500 mm， 拱顶最大沉降量达 350 mm， 边墙最 大收敛量达 920 mm， 导致钢拱架严重扭曲变形， 初 期支护侵入二衬净空； （ 2 ） 围岩速率快， 且变形分布 极不均匀； （ 3 ） 围岩变形滞后， 持续变形时间长， 现 场监测发现，有些洞段开挖一个月后仍在继续变形 。
圆形断面 ， 半径 4 m 。 以二维平面应变问题按大变 形条件进行计算 ， 计算结果见图 3 和图 4 。
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围岩大变形机理的分析与判识
大变形力学行为分析
隧洞开挖后围岩力学行为随时间的演变可以分为 ［2 ］ 四个阶段 ： 第一阶段， 隧洞开挖后一定范围内的 围岩应力重分布和残余地应力释放 ； 第二阶段，围岩 在重分布应力场作用下将发生位移， 形成松弛变形， 该阶段施加于支护结构上的荷载称为“形变荷载 ” 或 “松弛压力 ” ； 第三阶段， 当松弛变形持续发展到 者 一定阶段，围岩在薄弱处产生局部破坏； 第四阶段， ， 引发隧洞坍塌 变形继续发展引起岩块脱离“母体 ” 。值 或以自重形式作用于支护结构形成“松散压力 ” 得一提的是，针对软岩隧洞，围岩中常含有某些亲水 性矿物（ 如高岭石、 蒙脱土、 绿泥石等 ） ， 这些矿物 “水—岩作用 ” ， 围岩体积会增大， 力学性 遇水后经 “膨胀压力” 施加于支护结构上。 质恶化，并产生 分析可知，不同性质的围岩压力将导致不同类别 的围岩大变形，按其力学成因可以分为三类： 松散性 大变形、膨胀性大变形和松弛挤压型大变形 。松散性 大变形一般是支护滞后使围岩变形过度而失控诱发 的，施工中注意及时支护是可预防的 。而膨胀性大变 形和松弛挤压型大变形则是由软岩自身的物理力学特 性和所处的高地应力环境决定的 。 3. 2 膨胀性大变形的判识 为了探明引水隧洞围岩的膨胀性变形在总变形量 值中的贡献程度， 掌握围岩的物理、 化学和力学特 性，从现场采取岩样进行了扫描电镜—能谱分析实 验、自由膨胀率和膨胀力压缩实验。 扫描电镜—能谱分析实验能获取岩石的微观结构 和矿物组成。从 SEM 图像 （ 见图 1 ） 分析得出： 岩石 微观结构中以片状矿物含量居多， 含有部分粒状矿 物，片状矿物有定向性，片状矿物粒径 2 ～ 5 μm； 从 试样能谱图（ 见图 2 ） 分析得出： 岩石矿物成分主要为 绢云母，含伊利石和蒙脱石。
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引
言
水隧洞已不可避免。处于原始应力场中的天然岩体在
随着我国西部大开发和可持续发展战略的实施 ， 以水利水电基础设施建设为代表的西部水资源开发与 利用正在飞速发展。我国西部山地和高原集中，地形 高差悬殊，因此，在高地应力环境下修建深埋长大引
W ater Ｒesources and Hydropower Engineering V ol. 45 No. 2
水利水电技术 第 45 卷 2014 年第 2 期
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工程背景
依托工程和地应力环境
洞松水电站工程区位于四川省甘孜州硕曲河中下 游段乡城县境内，是硕曲河干流乡城、得荣段水电规 “一库六级 ” 划 开发方案中的第四级电站， 其引水隧 洞长 17. 862 km，海拔高程 2 500 ～ 3 000 m，埋深 450 ～ 650 m。岩性以千枚岩、泥质板岩和变质砂岩为主。 通过岩石取样进行室内岩石试验和点荷载试验得出 ： 岩石弹性模量介于 0. 9 ～ 2. 0 GPa 之间， 抗压强度介 于 11. 6 ～ 35. 8 MPa 之间。 工程区域地质构造较复杂，处于南北向德格—乡 城断裂带内，构造应力场在空间分布上很不均匀 。水 压致裂法原位地引力测试资料显示 ： 洞身段地应力以 垂直地应力为主，最大水平主应力为 18. 60 MPa， 方 向为 NE15° 。部分测段岩石饱和抗压强度和垂直最大 《工程岩体分级标准 》 （ GB 地应力比 Ｒ c / σ max ＜ 4 ，根据
中图分类号： TU451. 2 文献标识码： A 文章编号： 1000-0860 （ 2014 ） 02-0087-06
Stability analysis on soft and weak surrounding rock of diversion tunnel in high geostress zone ZHOU Zelin，CHEN Shougen，LI Yansong，ZHANG Xiaoming
收稿日期： 2013-04-11 基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助 （ SWJTU11ZT33 ） ； 教育部创新团队发展计划资助（ IＲT0955 ） 。 作者简介： 周泽林（ 1986 —） ，男，四川雅安人，博士研究生。
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周泽林， 等∥高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析
。软岩具有的流变
特性决定了其在高地应力作用下将发生松弛和蠕变变 形现象，如果支护型式和时机不当， 易发生大变形， 造成衬砌破坏。国外典型软岩大变形工程实例有： 奥 地利陶恩隧道洞壁最大变形量达 1 000 mm； 日本惠那 山隧道在施工中侧壁位移达 880 mm，埋深达 2 300 m ［ 3 ］ ［ 4 ］ 的哥达基线隧道 等； 国内典型的工程例子有 ： 乌 鞘岭隧道施工中拱顶下沉量高达 1 050 mm； 木寨岭隧 道最大变形量达 1 000 mm； 锦屏二级水电站引水隧洞 侧壁位移最大值达 400 mm。这些发生大变形的隧道 共同特点是： 深埋高地应力、围岩软弱、洞壁变形量 大且变形时间效应明显。 目前对于隧洞软岩大变形还没有一个明确的定 义，理论上尚缺乏系统的研究。对于广泛存在于我国 西部山区的深埋高地应力特殊软岩地质环境 ，通过解 析方法很难获得符合实际情况的结论值 ，施工中的处 理对策也多有分歧。笔者以洞松水电站引水隧洞施工 为工程依托，研究了高地应力环境下软弱围岩的变形 特征和空间分布规律，分析了实际施工中围岩变形与 支护受力随时间的发展规律，做出了符合实际的隧洞 围岩稳定性综合评价和建议，得出了一些有益的结论 与建议。
水利水电技术 第 45 卷 2014 年第 2 期
高地应力环境下引水隧洞软弱 围岩稳定性分析
周泽林，陈寿根，李岩松，张小明
（ 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室 ，四川 成都 610031 ）
要： 以实际深埋软岩引水隧洞施工为背景 ，在对导致大变形的围岩压力性质认识和力学行为分析 的基础上，结合室内实验、数值模拟手段、施工变形监测数据和围岩—衬砌接触压力现场试验，研究 摘 了隧洞开挖后洞周位移分布特征 、围岩变形和支护受力随时间发展规律 。 研究结论表明： （ 1 ） 大主应 力方向为垂直方向的高地应力环境中 ，隧洞软岩大变形以挤压型变形为主 ； （ 2 ） 开挖面和二衬对约束 隧洞空间位移分布具有重要作用； （ 3 ） 软弱围岩变形发展和支护受力具有明显的流变特性和时间效 应，及时施加二衬能有效限制流变变形的发展 。在研究基础上提出了一些施工中有益于控制围岩稳定 性的建议。 关键词： 高地应力； 数值模拟； 现场试验； 挤压型变形； 围岩稳定性