大伙房水库不良地段围岩变形特征与加固研究

崔文艳，于志华，宋 建，杨 昊

（东北大学资源与土木学院，辽宁 沈阳 110004）

大伙房水库输水工程，是一项具世界性的大型输水工程，由于其复杂的地质条件及发育的断裂构造，岩石严重风化，存在引发危机人身、财产、工程或环境安全的事件，处理不好将成为地质灾害，因此对围岩稳定性的分析及其变形特征与加固研究的进行是十分必要的[1]。

而MIDAS/GTS强大的实体建模能力可以快速精确地模拟复杂的隧洞结构，通过功能完善的网格划分工具即可生成理想的三维有限元网格，并且其计算精度和速度也很高。本文应用MIDAS/GTS软件选取大伙房水库桩号为27+500 m附近不良地质洞段进行数值模拟，通过分析其应力场特征和位移特征讨论其围岩的稳定性特征，同时提出可靠的加固措施。

MIDAS/GTS的一般操作流程：建立几何模型→划分网格→设定分析条件→分析→查看结果。

1 计算模型的建立

1.1 物理力学参数的确定

依照地质勘察以及工程设计，围岩分类采用GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》附录P“围岩工程地质分类”；具体实验由辽宁省水利水电规划总院实验室完成，可将该区域围岩定为Ⅴ类，围岩物理力学参数见表1。

根据隧洞围岩的物理力学性质，采用了弹塑性的非线性有限元法，围岩的本构关系采用Mohr-Coulomb模型，模拟隧洞与地层在开挖过程中的非线性变形特性。根据地质资料材料说明，此段岩体几条较大规模的断层和节理裂隙对围岩稳定有较大的影响。对于锚杆，往往采用杆单元进行模拟，喷射混凝土采用板单元进行模拟。

表1 围岩力学参数

1.2 模型的建立

本工程属于深埋长大隧洞,采用有限元法进行三维仿真计算,为了使计算模型更接近实际,围岩模型高度取6倍洞径、宽度取8倍洞径,洞径8.0 m TBM成洞直径8 m，其几何尺寸 （长×宽×高）为50 m×64 m×48 m，利用自动划分网格规则生成Tetra形态的三维网格。计算模型的边界条件为：底面为竖向约束，四周围岩外边界面为垂直围岩面法向约束，上边界为荷载自由边界，根据上部覆土的厚度转化成均匀荷载施加压力。

2 围岩稳定性分析

围岩稳定是隧道安全运行的基本条件，如何维持隧道围岩稳定是隧道工程中最基本的问题之一。圆形洞室开挖后，使原来处于挤压状态的围岩失去支撑而向洞内出现了不同程度的回弹变形，如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏。下面通过围岩的应力场和位移场，得出该区域加固前围岩变形特征[2-4]。

2.1 围岩应力分析

图1 加固前围岩第一主应力

从加固前围岩第一主应力云图（如图1所示）可以看出，隧道的开挖破坏了岩体原有的相对应力平衡状态，在洞周围出现应力集中现象，引起了应力重分布。在拱顶和隧底附近均出现了很小范围的压应力，最大值为11.61 MPa，分布在隧顶部位，而且在洞室两侧，洞周最大压应力值逐步增加，在模型中间部位压应力最大。压力太大使围岩极其不稳定，容易引起围岩坍塌。因此，施工过程中应及时施作仰拱，采取有效的加固措施，使隧道开挖面形成封闭承载环，提高隧道的稳定性。

2.2 围岩位移分析

从加固前Z方向位移图（如图1所示）可以看出，Z方向的位移最大值高大12.46 mm，中局部收敛变形较大，发生塑性变形，严重影响了围岩的稳定性，应及时进行围岩的变形监测并进行加固分析，使围岩变形渐趋稳定。

3 变形监测与加固分析

TBM1施工段共有3处不良地质段，尤以桩号27+500附近的不良地质洞段最为严重，经临时监控量测结果显示初期支护后，拱脚部位发生严重扭曲，且顶拱喷混凝土出现部分掉块现象，围岩局部收敛变形较大，发生了塑性变形，在该断面附近仰拱隆起高度高达82.4 mm。为准确检测围岩变形，TBM1施工段在每个观测断面布置3套多点位移计以监测输水洞围岩变形情况,多点位移计分别埋设在顶拱和洞室腰线部位,观测成果见图1[5-6]。

图2 加固前Z方向位移云图

图3 27+500断面拱顶下沉变化曲线

经监控量测结果显示围岩收敛，加固前围岩受节理和断层的影响，迅速发生较严重的变形，拱顶下沉位移变化较快几乎成线性，围岩极其不稳定。另外根据软件模拟，利用指数函数对模型围岩拱顶节点位移的变化进行分析，拱顶下沉变化曲线见图3，与现场测量的数据基本相符，也证实的围岩的不稳定性。

为保证洞室稳定和人员、设备安全，遏制塑性大变形的持续发展，因此TBM在不良地质洞段施工时采取了加固措施：在原有初期支护基础上，采取I10工字钢和φ25锁脚连接，使钢拱架形成一个密封的骨架，增加支护强度；底板浇筑C25混凝土和边顶拱喷射混凝土连接，形成一个封闭薄壳结构；同时顶拱120°范围内设置φ25 L=4 m的锚杆，把钢拱架、喷射混凝土与围岩连成一个受力体，进一步加固围岩的稳定性。

通过加固后检测围岩的数据，进行反分析，再次模拟围岩的参数变化，见图4，可以看出加固后围岩弹性模量和凝聚力都增加了，几乎达到Ⅱ类围岩的强度。

图4 加固后围岩第一主应力云图

加固后根据监控量测成果以及软件模拟的主应力云图的对比，围岩最大主应力明显降低，拱顶位移下沉速度也低于0.1 mm/d,围岩基本稳定。所以加固措施有效地阻止了围岩收敛变形的大幅度增长，并且随着增设的锚杆支护措施使围岩变形进一步得到控制。

4 结语

1）运用大型有限元工程计算软件MIDAS/GTS分别对大伙房水库加固前和加固后两种条件的施工过程进行动态数值模拟，从而得到隧洞结构的应力分布和位移规律，能较好地模拟隧洞开挖后围岩的变化。

2）及时对不良洞段进行监控量测,掌握围岩变形动态信息,以便判断支护措施的合理性,为后期施工支护参数的选取以及相应的稳定措施提供比较准确的参考。

3）隧洞开挖通过这样的工程地质段，存在着巨大的困难。在遭遇塑性变形等不良地质条件的情况下，经过现场实践和各类监测数据表明，对这一不良地质段洞室岩体的有效加固及处理，消除了涌水与塌方问题，使工程安全优质地通过了这一不良地质段，为整个大伙房水库输水工程的预期完工攻下了一大难关。

［1］大伙房水库引水隧洞可行性报告［R］.辽宁省水利水电规划设计院，2004.

［2］孙祥，杨子荣，赵忠英．大伙房水库输水隧洞地应力场特征［J］．岩土工程技术，2005（5）：264-267．

［3］王思敬，杨志法，刘竹华．地下工程围岩稳定分析［M］．北京：科学出版社，1984．

［4］贾金刚，王天佑，李珩，董锋.大伙房水库输水工程围岩稳定性数值分析［J］.现代矿业，2010（1）：73-76.

［5］杨胜，黄志文，陈霞.TBM施工隧洞塑性变形围岩的处理与监测分析［J］.东北水利水电，2010（9）：7-9.

［6］张照太，陈竹，马鹏辉.大伙房引水隧洞不良地质洞段围岩变形监测及支护措施分析［J］.现代隧道技术，2007（5）：68-71.