基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形研究

米 健，沐 红 元，李 建 国

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

滇中红层是指主要分布于云南滇中地区，形成于晚三叠世至古近世，通常由一套砂岩、粉砂岩、泥岩等组成，夹有泥灰岩和砾岩，外观以红色为主色调的陆相碎屑沉积地层[1-2]。滇中红层软岩由于其独特的工程地质特性以及分布广泛性而备受工程界的关注。张翔、何盛、朱俊杰等[3-5]研究表明：滇中红层软岩的流变效应明显，其长期强度一般为峰值强度的70%；与直剪试验相比，其长期抗剪强度的内摩擦角降低20%，凝聚力降低60%。

软岩挤压变形是深埋或高应力隧洞工程建设过程中的一大难题。软岩挤压变形发生的地质条件主要是岩性和应力条件[6]。软岩赋存于高应力环境下，极易导致挤压变形程度大、挤压变形释放时间长等问题[7]，例如：奥地利的Tanern隧道和Arlberg隧道、日本的EnasenⅡ号线、中国的家竹箐隧道、乌鞘岭隧道、襄渝二线新蜀河隧道[8]和兰渝铁路木寨岭隧道[9]等在开挖过程中均出现了软岩挤压变形，这些隧道埋深均在400 m以上，围岩强度应力比0.05～0.33，隧道在开挖过程中的变形量一般为50～80 cm，最大变形量达240 cm，收敛时间达100～400 d；而国外的樱内隧道、索沙卡隧道、英比科隧道等，埋深仅110～180 m，也发生了不同程度的软岩挤压变形。故软岩挤压变形问题往往成为工程建设中的“瓶颈”，制约工程建设工期、影响正常使用、造成成本飙升。

软岩挤压变形程度分级既评价了问题的严重程度，也反映了问题的发展阶段，科学评价软岩挤压变形程度并分级具有重要的工程实际价值。由于软岩类型众多，特性千差万别，隧洞在不同条件下开挖后所表现出的挤压变形程度各异。本文根据滇中红层软岩的流变特性，结合国内外现有的软岩挤压变形程度分级方法，提出滇中红层软岩挤压变形程度分级标准，并通过数值模拟分析验证其有效性。

1 工程概况

滇中引水工程一引水隧洞位于云南省玉溪市境内。隧洞全长14.6 km，设计流量20 m3/s，横截面等效圆半径为2.6 m，最大埋深470 m。隧洞沿线分布的T3y页岩夹粉砂岩及J1f、J2z泥岩等滇中红层软岩累计长为9.9 km，占隧洞全长的68%。

隧洞出口距离全新世活动断裂仅0.6 km，工程区50 a超越概率10%的地震动峰值加速度为0.30g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，地震基本烈度为Ⅷ度，区域构造稳定性差-较差。

2 滇中红层软岩挤压变形程度分级标准

2.1 现有软岩挤压变形程度分级方法

现有软岩挤压变形程度分级评价方法分为应力法和变形法，如表1所列。

应力法大部分采用岩体强度和最大主应力指标进行评价，隧洞围岩产生挤压变形的强度应力比界限值为0.45～2.00，取值差异较大；变形法则主要采用围岩应变指标进行评价，隧洞围岩产生挤压变形的应变界限值为1。

表1 现有软岩挤压变形程度分级方法汇总Tab.1 Summary of existing classification methods for extrusion deformation of soft rock

2.2 软岩挤压变形程度分级标准

软岩挤压变形产生机制是隧洞开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性化。因此，当隧洞围岩的地应力水平大于软化临界荷载时，围岩将表现出软岩的挤压变形特性。隧洞围岩的地应力水平一般取地应力的最大主应力σ1，软化临界荷载用σcs表示，当σcs/σ1<1 时，隧洞围岩将发生挤压变形。

软化临界荷载计算公式如式(1)：

σcs=K×Rc

(1)

式中：Rc为岩石单轴抗压强度，MPa；K为经验系数，取岩体长期强度与峰值强度比值。

根据水利水电工程规范[15-16]，软岩挤压变形可用强度应力比S通过式(2)判定：

S=Rc/σ1

(2)

式中：Rc为岩石单轴抗压强度，MPa，为了工程安全，一般取岩石饱和单轴抗压强度(Rb)；σ1为最大主应力，MPa。

由式(1)可知，K=σcs/Rc，当S<1/K时，隧洞围岩可能发生软岩挤压变形。根据滇中红层软岩的流变试验成果，其长期强度一般是峰值强度的70%，考虑到试样扰动等因素，进行经验修正后K取0.87，因而1/K为1.15。因此，当S<1.15时，隧洞围岩可能发生软岩挤压变形。

根据滇中红层软岩的流变特性及现有软岩挤压变形程度分级方法，提出滇中红层软岩挤压变形程度分级标准如表2所列。

表2 滇中红层软岩挤压变形程度分级标准Tab.2 Classification standard for extrusion deformation of soft rock in the red stratum of mid-Yunnan area

3 地应力确定

根据隧洞区地应力测试统计结果(见表3)，隧洞区100～200 m段、200～350 m段以及100～350 m段最大水平主应力侧压系数平均值分别为1.17，1.41和1.33，说明隧洞区的构造应力是地应力场中的主要影响因素。考虑到浅部地应力对隧洞影响较小，隧洞区水平主应力可取σH=1.4σz、σh=1.0σz。

依据压裂缝方向的印模结果，最大水平主应力方向为N35°W～N75°W。

表3 隧洞区水平主应力侧压系数统计结果Tab.3 Statistical results of side pressure coefficient of horizontal stress in tunnel project region

4 软岩挤压变形程度分级评价

根据该引水隧洞围岩强度应力比，计算出各地层各挤压变形程度界限深度，详见表4。由表4可知：该引水隧洞中T3y、J1f、J2z地层可能出现严重挤压变形的界限深度分别为914.3，457.1 m和342.9 m。

根据表4的计算成果，对引水隧洞沿线的滇中红层软岩分布洞段进行挤压变形程度预测，详见表5。由表5可知：① 隧洞有8.85 km长洞段将发生软岩挤压变形，占隧洞全长的60.6%，占滇中红层软岩分布洞段累计长度的89.4%；② 隧洞中软岩挤压变形程度为轻微、中等及严重，累计长度分别为5.47，2.05 km和1.33 km，分别占隧洞全长的37.5%，14.0%，9.1%，分别占滇中红层软岩分布洞段累计长度的55.3%，20.7%，13.4%，挤压变形程度总体以轻微-中等为主，最大埋深洞段为严重挤压变形。

表4 各地层挤压变形程度界限深度Tab.4 Limit depth of different extrusion deformation of different stratum

表5 隧洞围岩挤压变形程度预测Tab.5 Prediction of extrusion deformation of tunnel surrounding rock

5 软岩挤压变形数值模拟分析

为了验证滇中红层软岩挤压变形程度分级标准的有效性，更好地分析该引水隧洞围岩挤压变形特征，本文采用FLAC3D对隧洞最大埋深洞段在不加支护措施工况下的挤压变形进行数值模拟分析。

5.1 模型建立及参数选取

为减小边界效应的影响，模型边界距隧洞皆大于5.0倍洞径，构建的计算模型采用六面体单元，共划分了62 080个单元和65 559个节点。

隧洞最大埋深洞段围岩为J2z泥岩，其物理力学参数如表6所列。

表6 隧洞围岩物理力学参数Tab.6 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

5.2 数值模拟结果分析

图1反映了隧洞里程69+716横截面(最大埋深)在不加支护措施工况下的总位移情况，图2为该截面的塑性区示意图。

图1 里程69+716横截面总位移图(单位：m)Fig.1 Schematic diagram of total displacement in the cross section of stake number 69+716

图2 里程YH69+716横截面塑性区图Fig.2 Schematic diagram of plastic zone in the cross section of stake number 69+716

从图1可以看出：隧洞的总位移等值线大致呈椭圆形分布，洞周出现了10 cm以上的位移；最大位移出现在隧洞顶、底部位置，且隧洞顶部的最大位移量略大于隧洞底部；隧洞顶部的最大位移量为16.7 cm，隧洞底部的最大位移量为16.6 cm，主要是由滇中红层软岩塑性挤出引起。从图2可以看出：隧洞两侧壁下部及底部的塑性变形以剪切变形和拉变形为主，其他位置以剪切变形为主，塑性区分布均匀，皆在1.5倍洞径范围内。

数值模拟计算得出隧洞里程YH69+716横截面的最大位移量为16.7 cm，围岩应变为6.42%，属于严重挤压变形。该横截面基于强度应力比的软岩挤压变形预测结果亦为严重挤压变形。根据表2的挤压变形程度分级标准，对应的隧洞围岩变形量为13～26 cm，围岩应变为5%～10%。因此，数值模拟结果与基于强度应力比的软岩挤压变形预测结果基本吻合，验证了基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形预测的有效性。

6 结 论

(1) 当隧洞围岩强度应力比S<1.15时，滇中红层软岩隧洞将发生软岩挤压变形，软岩挤压变形程度可划分为无挤压、轻微、中等、严重、极严重等5级。

(2) 该引水隧洞发生软岩挤压变形的洞段占滇中红层软岩分布洞段累计长度的89.4%，软岩挤压变形程度总体以轻微-中等为主，最大埋深洞段为严重挤压变形。

(3) 通过数值模拟分析，该引水隧洞最大埋深洞段将发生严重挤压变形，数值模拟结果与基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形预测结果基本吻合，验证了基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形预测的有效性。