滇中红层软岩大变形预测分级研究——以滇中引水工程大转弯隧洞为例

李 昱 赵 信 李克献

（1.云南省滇中引水工程建设管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

随着中国地下工程建设的不断发展，隧洞建设逐渐变得更复杂。复杂的工程地质条件与力学特征使得隧洞建设更加困难，其中软岩大变形成为国内外学者研究的主要热点之一。例如木寨岭公路隧洞［1］、大草山公路隧洞［2］和白石头铁路隧洞［3］等。软岩大变形是指隧洞开挖后，围岩受力条件突然变化，加之岩体本身的构造强度不足以支撑洞室，从而导致岩体的大变形。为此，需要工程在设计与建设之前对围岩的变形进行合理的预测和评估，从而降低或规避大变形带来的不利影响。

在对软岩隧洞进行变形预测方面，国内外学者已提出了多种预测指标及量化方法，主要包括：基于工程实践的经验方法，如Singh 等［4］提出的基于埋深和Q 系统的方法、Goel 等［5］提出的基于隧洞净宽和岩体质量N 的方法；基于半经验半理论的方法，如Hoek 等［6］提出的基于岩体强度应力比的方法、陈卫忠等［7］提出的基于修正［BQ］值的方法。本研究以滇中引水工程楚雄段隧洞为例，通过研究滇中红层力学特性以及模拟隧洞施工开挖后的变形规律来预测软岩大变形等级，并提出相应的大变形分级标准。研究结果对滇中红层隧洞软岩大变形预测和分级具有一定的指导意义。

1 工程概况

滇中引水工程楚雄段隧洞位于云南省楚雄市，由云南滇中引水工程有限公司承建，滇中引水工程输水线路楚雄段（万家—罗茨）线路穿越的滇中红层长度约为131.5 km，占该段线路全长的92%。根据地质勘探资料显示，该地区广泛分布着泥质页岩、页岩、粉砂质泥岩等泥质岩，其透水性弱，亲水性强，遇水易软化，失水易崩解，且其力学性能较差（岩石单轴饱和压缩强度<30 MPa)；第三系沉积盆地内物质成分复杂，既有砂、泥、砾岩等地层，又有丰富的油泥、煤等有机质，多数为非胶结-泥质胶结体，表现为强度低、水稳定性差，成洞条件及承载力较差。因此，施工过程中易出现软岩大变形，对施工安全有较大影响。

2 分级方法

2.1 软岩大变形预测分级方法

单以“位移值（含相对变形）/破坏程度”作为分级指标，实质上是以变形的表观现象进行分级，仅描绘了支护系统的变形能力，缺少对变形的预测，难以直接服务于工程。而以“相对变形”作为分级指标，具有很好的应用价值，可实现对挤压变形的预测，但其缺少对“施工与支护”的描述，难以体现“人为因素”对变形的影响，致使获取的变形分级标准大多应用于前期设计阶段，而在施工阶段的应用价值偏低。基于此，综合2 个以上的分级指标应当是最优的分级标准。

2.2 滇中引水大转弯隧洞大变形分级方法

基于国际广泛采用的Hoek［6］方案将隧洞挤压变形等级分为4 级，即轻微挤压变形(1%≤ε≤2.5%)，中等挤压变形(2.5%＜ε≤5%)，严重挤压变形(5%＜ε≤10%)，极严重挤压变形(ε＞10%)。以表1 中数据为基准，对软岩大变形进行分级。

表1 滇中引水工程软岩隧洞挤压变形评价方法

采用国内工程岩体修正值［BQ］［8］分级系统，对地下工程岩体进行定级。根据各种类型工程的特征，将地下水状态、初始应力状态、工程轴线走向的指向与主要软弱结构面产状的组合关系等需要的校正因素考虑在内，对岩体基本质量指标BQ进行校正，并将其应用于岩体基本质量指标校正值［BQ］。

3 大变形预测分级数值模拟研究

3.1 计算模型

FLAC3D程序被广泛应用于工程结构受力特性模拟，能够对隧洞三维结构受力特性进行模拟，满足建模需要。因此本研究主要基于FLAC3D程序建立三维数值模型，分析各计算工况下隧洞位移情况。滇中引水隧洞模型如图1 所示，其为FLAC3D中截取的围岩主体部分，整体围岩尺寸为长×宽=44 m×48 m，共计划分为5 900 个单元，9 117 个节点。模型边界条件为：水平方向是左右外边界施加横向荷载以模拟水平应力场，竖直方向是顶部外边界施加竖向荷载以模拟隧洞埋深［9］。

图1 滇中引水隧洞模型

3.2 计算断面及参数选取

软岩隧洞围岩变形量主要取决于岩体特性、地应力场变化。因此，在选择计算典型断面时，应着重考虑隧洞设计以及地质勘探资料所提供的岩性分布情况，选取各岩性中应力水平最大与最小的两个断面作为研究计算断面，断面的详细参数见表2。在进行计算时，应依据已有的地质勘探资料，并结合类似工程等因素，选择相应的岩土的物理力学参数，见表3。

表2 软岩大变形预测相关计算资料

表3 滇中红层岩土体参数取值

3.3 数值模拟计算实现方法

基于多工况计算方法，模拟不同计算断面的参数和初始应力场下的隧洞开挖位移。通过FLAC3D重启动功能和FISH语言程序为核心的方法［9］，计算模拟了15 个分段，其中每个分段选取最大应力水平和最小应力水平两个断面分别计算，共计30 种工况。计算模型开挖边界：水平方向距离模型外边界18 m，竖直方向距离模型外边界20 m，具体实现步骤：①地应力平衡计算，基于STRESSBOUNDARY（S-B 法）对选定的断面进行初始的应力场计算，得到真实的应力分布。②基于摩尔-库伦弹塑性准则（M-C准则），赋予数值模型相应的材料参数，设置收敛条件为最大不平衡力与典型内力的比率＜10-5。

3.4 计算结果分析

运用FLAC3D程序模拟隧洞开挖，得到位移量见表4。当同一岩性时，围岩质量越好，即[BQ]值越高，围岩位移量越小。以泥岩、砂岩互层的较软岩类为例，当[BQ]值为65 时，该段平均位移量为124.33 mm；当[BQ]值为222.5 时，平均位移量为65 mm。

表4 楚雄段各断面最大位移量

DZWT2+322～3+318 最大位移量和DZWT3+770-4+090 最大位移量如图2 和图3 所示。由图2和图3 可知，各岩性及各围岩条件下每个特征点的位移大小及相互之间的关系。对于同一岩性下，拱脚的位移最小，其次是拱腰的位移较小，然后是拱底的位移较大，最后是拱顶的位移最大。随着围岩条件的变好，即[BQ]值越大，围岩位移从164.18 mm缩减到58.26 mm。

图2 DZWT2+322～3+318最大位移量

图3 DZWT3+770-4+090最大位移量

基于国际广泛采用的Hoek 方案将隧洞挤压变形等级分为4级，参照表1标准，得到大变形程度判别统计，见表5。滇中引水隧洞以中等大变形轻微大变形为主，断裂带有严重挤压变形的可能。具体占比为“轻微”20%、“中等”70%、“严重”5%。由此可知，大转弯隧洞挤压变形以中等挤压变形为主，其次为轻微挤压变形，断裂带存在严重挤压变形的可能。

表5 变形程度判别统计

4 结论

本研究针对滇中引水工程楚雄段大转弯隧洞，结合地质勘探资料，采用两种方法相结合的手段对大变形情况进行分级，得出以下结论。

①大转弯隧洞主要岩性分为三类：泥质岩类为主的软岩类，泥岩、砂岩互层的较软岩类，砂质岩类为主的坚硬岩类。以泥质岩类为主的围岩条件下，围岩位移量最大，然后依次是泥岩、砂岩互层的较软岩类和砂质岩类为主的坚硬岩类。

②滇中引水大转弯隧洞以中等大变形轻微大变形为主，断裂带有严重挤压变形的可能。具体占比为“轻微”20%、“中等”70%、“严重”5%。

③对不同变形程度下的位移情况进行统计分析，结果显示：拱脚的位移最小，拱腰的位移较小，拱底的位移较大，拱顶的位移最大。随着围岩条件的变好，即[BQ]值越大，围岩位移从164.18 mm 缩减到58.26 mm。

④以围岩位移数据及工程地质情况为基础，综合位移量、[BQ]值制订了适用于滇中引水隧洞的分级标准，实现了该隧洞围岩大变形的预测及大变形分级标准。