深埋隧道工程高地应力影响下围岩稳定性分析

白 云，吕建红，邹 凯

(1.青海省水利水电勘测设计研究院，西宁 810001; 2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100)

引大济湟工程通过将大通河丰富的水资源，通过一系列引水措施引入水资源严重不足的湟水河支流上游宝库河。调水总干渠作为“引大济湟”的龙头工程，主要由引水隧洞、引水枢纽、出口明渠三部分组成。引水隧洞作为将水资源穿过大坂山从大通河流域输出到湟水河流域重要工程，其重要程度不言而喻。然而，中国西部地区复杂的地应力条件，大坂山复杂的地质条件给工程进行带来了巨大的考验。

对于隧道围岩稳定性，通常是通过某些定性指标进行分析。围岩稳定性的定性分析方法目前最常用的是围岩分级法，依据前人大量的经验数据得出的相关规范。对于深埋隧道，很多学者在进行传统方法分析的时候采用数值模拟分析进行相互佐证[1-2]。隧洞围岩数值模拟方法主要是采用基于弹塑性力学理论的本构模型和数值计算方法，分析隧洞围岩的应力、应变、位移等特征，以及隧洞围岩在一定的地质条件下的稳定性状态。FLAC(Fast Lagrangian Analsis of Continua)全称连续介质快速拉格朗日差分分析方法，由美国Itascas公司应用此方法进行岩土体的稳定性分析中并开发出相关FLAC 2D以及FLAC 3D系列商用软件[3]。郑颖人[4]提出隧洞安全强度折减分析法，以计算不收敛为依据，结合位移突变判据，判断隧洞围岩失稳条件。该方法通过折减隧洞围岩的力学参数求得隧洞处于极限状态下的破坏状态和折减系数。隧洞围岩的稳定安全系数可作为围岩稳定性分析的定量判据。对于高地应力区的深埋隧道，通过测量天然地应力[5]分布，定量分析高地应力对围岩稳定性影响显得尤为重要。

本文结合正在建设的引大济湟干渠工程中的深埋引水隧道，通过分析隧道沿线地应力的分布规律，利用FLAC 3D软件，采用强度折减分析法对隧道围岩进行稳定性分析，对围岩发生岩爆的可能性进行判别，以期为工程建设提供借鉴。

1 隧道地质及工程地质条件

1.1 地形地质

隧道沿线包括了大坂山高山区及其两侧的门源盆地和大通盆地区。由于新生代以来地壳的频繁运动，导致了不同程度的褶皱、断裂的活动和第四纪以来的强烈抬升。从而形成了现今的中高山、丘陵、盆地以及河谷地貌。侵蚀断块中、高山，高程在3 200～4 250m；山前剥蚀丘陵地貌分布于大坂山山麓地带门源盆地周围，高程在3 200～3 600m；盆地黄土丘陵地貌主要分布在引水隧洞区东南部的大通盆地内，绝对高程在2 450～2 950m。

沿线地层的主要岩性有：下元古界的中-深变质岩、下古生界的中-浅变质岩、上古生界、中生界、新生界以及加里东构造时期的岩浆侵入岩。大坂山南侧大面积出露中生界三叠系内陆湖相碎屑岩、下元古界变质岩以及部分地区出露少量侵入岩。其接触关系多为不整合接触或假整合接触。工程区第四系分布广泛，以河流冲积层与冲沟冲洪积层为主，在宝库河上游和大通河上游及大的冲沟等处还有冰川堆积。

区域上位于青藏高原北缘，处于祁连地槽褶皱系内。褶皱系东北面为中朝准地台最西部的一部分，西南为秦岭褶皱系西部的一部分。图1为近场区地质构造纲要图。

新构造运动分区：Ⅰ、山地强烈隆起区；Ⅰ1、冷龙岭隆起区；Ⅰ2、大坂山隆起区；Ⅱ、盆地相对沉降区；Ⅱ1、门源盆地沉降区；Ⅱ2、皇城盆地沉降区；Ⅱ3、石头峡弱隆起区主要断裂：1、冷龙岭断裂带；2、门源盆地北缘断裂带；3、门源盆地南缘断裂带；4、莱日图河-苏吉滩断裂带；5、西达坂北断裂；6、达坂掌断裂带；7、大坂山南缘断裂；8、俄博山断裂；9、宝库河断裂图1 近场区地质构造纲要图Figure 1 Structural outline map of near-field region

引水隧洞区域位于祁连褶皱系的中部隆起带和北祁连褶皱带附近，区内主要构造呈NW-SE向分布，有少量EW向构造在其间穿插分布。本区地质构造较复杂，褶皱和断裂充分发育，数量众多，形态复杂。

1.2 水文地质

大坂山南麓以中高山为主，沟谷、山脊平直且平行排列，与大坂山分水岭近于垂直，地形陡，地表水易排泄。而大坂山北麓为中低山与丘陵区，地形相对平缓，沟谷弯曲，汇水面积大；沟底平缓，地表水排泄较慢，有利于地表水入渗补给地下水。大坂山以南以块状结晶岩裂隙水为主，富水带为断层带及侵入岩接触带脉状地下水。大坂山以北主要为碎屑岩地区，除断层及其影响带脉状地下水丰富外，还有碎屑岩(古近系红层)孔隙裂隙水和沟谷型孔隙水。大坂山以北部分断层顺沟发育，冲沟与断层带脉状水、向斜盆地孔隙裂隙水、沟谷松散孔隙水水力联系较密切。南坡断层带多与冲沟垂直，断层带脉状地下水与地表水联系弱。总体上，工程区大坂山北麓水文地质条件复杂，地下水丰富，而南坡水文地质条件相对简单。

1.3 工程地质

引水隧洞长24.17km，引水隧洞进出口高程分别为2 956m、2 942m。该隧洞在穿过大坂山的最大深度为1 028m，平均深度约480m，属于深埋长隧洞。隧洞所经过的中、高山区地势陡峻，山体两侧多有常年流水的深切沟谷。

根据青海省水利水电勘测设计研究院2016年至2017年施工勘察成果，工程区的岩石与土体的力学参数见表1、表2。

表1 隧洞区岩石物理力学性质指标参数

表2 隧洞区出口段土体物理力学性质参数

总体上，隧道沿线主要的工程地质问题是深埋隧道高地应力作用下软弱岩石的稳定性差和脆性岩石的可能发生岩爆的问题。通过地应力分布规律分析，利用数值分析软件计算隧道沿线的围岩应力，分析软岩的稳定性随埋深的变化，判断沿线发生岩爆可能性，可以为工程的安全施工提高支撑。

2 地应力分布规律

青海省水利水电勘测设计研究院在2015年隧道工程初步勘察阶段就进行了地应力测量，采用的测试方法为水压致裂法，先后进行了5个钻孔的测试，根据实测数据建立回归方程，分析地应力的分布规律。其中的SZK5孔在大坂山南麓的中高山区，岩性为元古界一套中深变质岩系，轻混合岩化的石英片岩、片麻岩、绿泥石云母片岩等，岩性较坚硬。通过SZK5孔的地应力测量获得了不同深度上12个测段的主应力测量结果，在95～352m的深度域上，最大水平主应力值为2.97～20.04MPa，最小水平主应力值2.45～12.02MPa，估算出的垂直应力值2.57～9.51MPa，图2为地应力最大主应力随埋深变化图。两向水平应力均大于垂直应力，水平主应力起主导作用，表明以水平挤压应力为主的现今地壳应力特征。洞身高程2 946～2 951m，对应最大水平主应力值为17.7MPa，最小水平主应力值10.58MPa，平均值8.8～8.9MPa；但在隧洞轴线处隧洞埋深794～799m，对应水平应力平均值21.6～21.7MPa。

图2 最大主应力随埋深变化Figure 2 Maximum principal stress variations with depth deepening

对SZK5孔测量结果用线性回归方法进行计算得到的两向水平应力与深度的关系式为：

SH=-3.49+0.063H(MPa)r=0.966

(1)

Sh=-1.17+0.035H(MPa)r=0.970

表示借代意义的词,与其造词理据密切相关。这种理据主要表现为,人们造词活动中所选用的替代物(也就是借体)与被替代对象(也就是本体或者实体)之间相互关联上有远近之别,在关联方式上存在多样性。

(2)

在大坂山北麓的中生代沉积盖层区，侏罗系岩性为泥岩，夹细砂岩、多层煤线或煤层、碳质泥页岩等；三叠系上统二段为石英砂岩，岩性普遍较软。通过对SZK4孔地应力测量获得了不同深度上10个测段的主应力测量结果，该孔主应力值在深度上的变化比较明显，在小于130m的深度域上，最大水平主应力为2.10～2.95MPa， 最小水平主应力为1.50～2.30MPa，估算出的垂直应力为1.89～2.98MPa。自重引起的垂直应力起主导作用。在大于130m的深度域上，最大水平主应力为6.10～14.42MPa，最小水平主应力为3.90～8.42MPa，估算出的垂直应力为3.52～5.18MPa。两向水平应力均大于垂直应力，水平主应力占主导地位，表明一定程度的构造应力作用的现今地壳应力特征。

①在隧洞段埋深小于130m范围内，岩土体因外力风化、卸荷作用影响，构造应力随岩体卸荷作用而降低乃至消失，岩土体以自重应力为主。

②在隧洞段埋深大于130m范围内，岩土体存在水平构造应力，受水平构造应力和垂直自重应力双重影响，但岩土体的最大主应力为水平应力，方向为NNE向，在16.6°～20°。

③在隧洞段埋深350m处，根据水压致裂法测得的岩土体最大水平应力约为13.5MPa。在隧洞段埋深600m处，隧洞围岩的最大水平应力约20MPa。在隧洞段埋深1 000m左右，最大水平应力约30MPa，该处地应力场有逐渐向静水压力场过渡的趋势。

3 隧道围岩稳定性分析

根据隧洞围岩的岩性、结构、构造、地下水分布情况等特征从进口至出口按顺序将引水隧洞围岩分为30个工程地质段。其中第一段至第十八段，是三叠系上统(T3)、侏罗系(J)、 古近系(E)，以软弱泥岩、泥质粉砂岩为主，第十九段至第三十段，以中、深变质岩与侵入岩为主。图3为隧道沿线地质条件变化示意图。

围岩工程地质分类结果表明，Ⅱ类围岩洞室长7 241.4m，占隧洞总长的30%，Ⅲ类围岩长5 972.3m，占隧洞总长的24.7%，Ⅳ、Ⅴ类围岩长10 952.3m，占隧洞总长的45.3%。第一段至第十八段， 隧洞围岩主要是Ⅳ—Ⅴ类围岩， 少数属于Ⅲ类围岩，岩石强度较低，不利于洞室稳定。从第十九段至第三十段，以Ⅱ—Ⅲ类围岩为主，少数Ⅳ、Ⅴ类围岩，岩石强度高，岩体结构以块状、厚层状结构为主，有利于洞室稳定。

图3 隧道沿线地质条件变化示意Figure 3 A schematic diagram of geological condition variation along tunnel

基于FLAC 3D软件对隧道围岩进行三维稳定性分析。地下圆形洞室在深埋情况下应力重分布的影响区域发生在3～5倍洞径范围内， 故模型边界取四倍洞径。模型垂直隧洞轴线方向取110m，铅直向由隧洞轴线高程向上和向下取40m，隧洞岩土体采用四节点模拟，边界XX向、YY向、底边Z边界完全约束。岩土体材料模型均是基于摩尔-库伦本构的弹塑性模型模拟。

当引水隧洞在Ⅴ类围岩埋深110m工况下，围岩参数折减2时，由图4塑性区云图显示，绿色区域为过去处于受剪状态模型平衡后依然遭受剪应力影响的区域，隧洞周围红色区域显示围岩有小部分处于塑性变形状态，塑性变形出现在隧洞洞周及隧洞两侧。

表3 不同计算深度采用地应力数值

当围岩参数折减2.5时，由图5塑性区云图显示，绿色区域为过去处于受剪状态模型平衡后依然遭受剪应力影响的区域。塑性变形自隧洞中下部朝隧洞两侧向上发展，该区域可以看作围岩在参数折减2的塑性区域的进一步扩大，模型塑性区已经贯通。当围岩参数折减3时，随着步数增长，最大不平衡力没有趋向于0，模型不收敛。故在埋深110m条件下，隧洞围岩的稳定折减系数为2.5。

图4 折减系数2.0塑性区云图Figure 2 Plastic zone nephogram of reduction coefficient 2.0

图5 折减系数2.5塑性区云图Figure 5 Plastic zone nephogram of reduction coefficient 2.5

当引水隧洞在Ⅴ类围岩埋深350m工况下的折减系数为1.8，不同折减系数下的塑性区分布见图6。通过FLAC稳定性强度折减法求出设定埋深下无衬砌隧洞的Ⅴ类围岩稳定折减系数，见表4。

表4 不同埋深条件下圆形隧洞折减系数

数值计算结果表明，随着埋深增加，隧道的围岩稳定性逐步降低，Ⅴ类围岩埋深超过600m，稳定性已明显降低，安全性不够。

4 隧道围岩岩爆分析

根据格里菲斯(Griffith)关于圆形洞室发生岩爆的临界条件[7]进行判断，临界条件公式如下：

σθ/8σt>1

(3)

图6 不同折减系数下的塑性区分布Figure 6 Plastic zone distributions under different reduction coefficients

式中：σt——岩石抗拉强度，MPa；σθ——切向应力，MPa。

在(1)式的条件下，再根据σc/σt的大小进行判断。σc为岩石饱和抗压强度，MPa。σc/σt越小，发生岩爆的强度越高，并根据式(4)进行判断。

(4)

经计算可知，在隧洞围岩的第八至第十八段，即大坂山北麓地槽期后中生代沉积盖层区，σθ/8σt为0.21～9.4，其特点是硬岩(石英砂岩)σθ/8σt普遍小于1，无岩爆；软岩σθ/8σt普遍大于1，存在塑性变形问题。第十九至第二十六段，处于大坂山顶部及南部高山区，σθ/8σt为0.4～36.2，部分(抗拉强度低者)σθ/8σt大于1，有发生岩爆的可能，再参考σc/σt值，为8.51～183.00，根据式(4)判断有中等岩爆至弱岩爆，部分可能有较强岩爆，主要分布于侵入岩区。第二十九段至第三十段，σθ/8σt为0.11～0.95，小于1，无岩爆。

5 结论

1)隧道埋深较浅时，岩土体以垂直自重应力为主，研究区在隧道埋深达到一定深度时，水平地应力为主应力，并随深度线性增加。

2)随着埋深增加，隧道的围岩稳定性逐步降低，Ⅴ类围岩埋深超过600m，稳定性已明显较低。

3)在引水隧洞围岩的第十九至第二十六段有中等岩爆至弱岩爆，部分地段可能有较强岩爆。