關(guān)鍵詞：泥質(zhì)砂巖；濕度劣化；輸水隧洞；安全性；仿真

中圖分類號：ＴＵ４５７；ＴＶ６７２＋ ．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２５

引用格式：牟輝疆，蘇偉林，金俊超．濕度劣化作用下泥質(zhì)砂巖輸水隧洞安全性分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１４６－１５１，１６２．

０引言

為了解決水資源短缺和地域分布不均衡的問題，我國興建了大量的長距離調(diào)水工程，其中引水隧洞往往難以避免穿越軟巖地層。泥質(zhì)砂巖作為常見的隧道工程巖體，遇水之后強(qiáng)度降低或體積增大，發(fā)生軟化、崩解和膨脹，其在水的作用下發(fā)生的快速物理劣化和強(qiáng)度損傷是引發(fā)許多重大工程地質(zhì)災(zāi)害的主要原因。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞含水巖石力學(xué)特性、軟巖遇水軟化機(jī)制開展了大量研究。例如：鄧華鋒等［１］ 選取三峽庫區(qū)典型紅層軟巖為研究對象，開展消落帶庫水位升降循環(huán)的浸泡－風(fēng)干作用模擬試驗(yàn)；張善凱等［２］ 為研究盧氏膨脹巖濕脹軟化特性，開展了膨脹性試驗(yàn)和常規(guī)三軸試驗(yàn)；陳子全等［３］ 通過單軸壓縮、常規(guī)三軸與單軸蠕變試驗(yàn)，研究了北疆地區(qū)侏羅紀(jì)與白堊紀(jì)泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)、遇水軟化特性與能量損傷演化機(jī)制；賈海梁等［４］ 對泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行室內(nèi)吸水、脫水全過程試驗(yàn)，測定其在脫水過程中不同飽和度的物理、力學(xué)性質(zhì)。此外，有許多學(xué)者結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)建立隧洞結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用模型，計算分析軟巖地層隧洞的受力、變形情況，也取得了較多成果。例如：雷江等［５］ 基于試驗(yàn)研究成果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對引紅濟(jì)石引水隧洞施工中存在的軟巖隧洞大變形問題進(jìn)行分析，提出了在圍巖與管片之間安裝聚氨酯緩沖層的新型支護(hù)方案；賈善坡等［６］ 將塑性損傷演化及滲流相互耦合的概念引入Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ 破壞準(zhǔn)則，提出了泥巖滲透性演化方程，對比利時泥巖隧道圍巖滲流－損傷耦合機(jī)制進(jìn)行了分析；Ｙａｎｇ 等［７］ 將泥質(zhì)砂巖遇水軟化分為應(yīng)變軟化、遇水膨脹效應(yīng)的疊加，分析了某引水隧洞工程襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。然而，上述研究均未針對具體工程遇到的軟巖進(jìn)行劣化趨勢試驗(yàn)分析，也未對數(shù)值仿真中不同濕度的圍巖強(qiáng)度指標(biāo)給出具體取值方法。

本文以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞泥質(zhì)砂巖為研究對象，開展不同浸潤時間的巖樣單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，分析泥質(zhì)砂巖變形、強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的變化。針對施工期，考慮濕度擴(kuò)散深度對隧洞變形及塑性區(qū)分布特征的影響。針對運(yùn)行期，從管片襯砌受力和接縫張開度方面分析不同加固方案的隧洞安全性，以期為泥質(zhì)砂巖地層隧洞的建設(shè)運(yùn)行提供理論依據(jù)。

１工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程將劉家峽水庫作為引水水源地，經(jīng)新建水廠凈化處理后向蘭州市供水，工程總體布置見圖１。

工程設(shè)計日供水量為２２７．３ 萬ｍ^３，年引水能力為８．３ 億ｍ^３。輸水隧洞主洞全長３１．２９ ｋｍ，彭家坪輸水支線全長９．３９ ｋｍ，蘆家坪輸水支線全長１．３５ ｋｍ，均為壓力輸水隧洞。輸水隧洞一般埋深超過４００ ｍ，最大埋深為９２０ ｍ?，F(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果表明，輸水隧洞沿線應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為１８ ＭＰａ，最小水平主應(yīng)力為４ ＭＰａ，屬中等地應(yīng)力水平，主構(gòu)造線方向?yàn)椋危祝常保啊?～３４０°，構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)椋危牛矗啊恪罚啊?，隧洞軸線方向?yàn)椋危牛担啊?。輸水隧洞沿線地層巖性復(fù)雜多樣，圍巖類別以Ⅲ類為主，存在部分Ⅳ類甚至Ⅴ類不良地質(zhì)洞段。穿過的地層巖性主要有：前震旦系馬銜山群黑云石英片巖和花崗巖，白堊系下統(tǒng)河口群砂巖、黏土巖互層及砂礫巖，奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群變質(zhì)安山巖、變質(zhì)玄武巖及安山凝灰?guī)r。其中白堊系地層中部分洞段以砂巖與黏土巖互層、砂礫巖形式出露，黏土礦物含量較高，存在遇水崩解等問題。

沿線部分洞段地下水出露，運(yùn)行期壓力輸水隧洞圍巖承受較大的內(nèi)水壓力?？紤]到內(nèi)水壓力一般大于圍巖中初始地下水壓力，運(yùn)行期管片襯砌可能存在接縫拉開、密封失效問題，繼而內(nèi)水入滲或滲漏，導(dǎo)致圍巖（泥質(zhì)砂巖洞段）劣化等，對施工期、運(yùn)行期輸水隧洞的安全構(gòu)成重大威脅。

２泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度劣化試驗(yàn)方法及結(jié)果

按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（ＳＬ／ Ｔ ２６４—２０２０），在以泥質(zhì)砂巖為主的Ⅳ類和Ⅴ類圍巖地層中取芯，將巖芯加工打磨成直徑為５０ ｍｍ、長度為１００ ｍｍ的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣。制備的巖樣呈紅褐色，沒有明顯裂隙，整體質(zhì)地均勻，天然密度為２．６０～２．６３ ｇ／ ｃｍ^３，縱波波速為３２６７．２～３ ３９７．６ ｍ／ｓ。將巖樣放入１１０ ℃烘箱中，２４ ｈ 后取出冷卻至室溫并稱重，之后將其分成兩組，通過自然浸泡吸水的方式制備不同浸潤時間的巖樣。隨著浸潤時間的增加，巖樣的含水率逐漸增大，約１４４ ｈ 后趨于穩(wěn)定，且接近于飽和含水率（約為４．４％），因此設(shè)置最大浸潤時間為１４４ ｈ。兩組巖樣制備完成后，分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，單軸、三軸壓縮試驗(yàn)分別在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的巖石單軸伺服試驗(yàn)機(jī)（ＲＭＴ）、巖石三軸伺服試驗(yàn)機(jī)（ＭＴＳ）上進(jìn)行，三軸壓縮試驗(yàn)的圍壓設(shè)置０、８、２６ ＭＰａ 三個等級。

２．１單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

不同浸潤時間的巖樣單軸壓縮軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖２，可以看到，整體上巖樣軸向應(yīng)力峰值（單軸抗壓強(qiáng)度）隨浸潤時間的增加逐漸減小，而在浸潤４８ ｈ內(nèi)最大軸向應(yīng)變隨浸潤時間的增加而增大。天然狀態(tài)和浸潤８ ｈ 巖樣的軸向應(yīng)力峰值附近產(chǎn)生明顯的跌落現(xiàn)象，而浸潤４８ ｈ 和浸潤９６ ｈ 巖樣的軸向應(yīng)力達(dá)到峰值后下降趨勢較為平緩，原因是隨著浸潤時間增加，泥質(zhì)砂巖中的黏土礦物吸水后膨脹變形，巖樣在軸向壓縮過程中變形量增加，其破壞形式逐漸由脆性向延性轉(zhuǎn)變。

不同浸潤時間的巖樣單軸壓縮力學(xué)參數(shù)見表１，表中強(qiáng)度劣化系數(shù)Ｋ_１ 為浸潤狀態(tài)與天然狀態(tài)的巖樣單軸抗壓強(qiáng)度之比，彈模劣化系數(shù)Ｋ_２ 為浸潤狀態(tài)與天然狀態(tài)的巖樣彈性模量之比。水對單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的劣化影響顯著，與天然狀態(tài)巖樣相比，浸潤９６ｈ后單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別降低了７６％、８３％。

２．２三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

不同浸潤時間和圍壓的巖樣三軸壓縮偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線見圖３?？梢园l(fā)現(xiàn)，浸潤時間相同時，隨著圍壓的增大，巖樣偏應(yīng)力峰值增大，偏應(yīng)力到達(dá)峰值前曲線的斜率也增大。同一圍壓下，隨著浸潤時間的增加，巖樣偏應(yīng)力峰值減小，偏應(yīng)力到達(dá)峰值后跌幅也逐漸減小。

３考慮圍巖劣化的輸水隧洞施工期安全性仿真分析

３．１計算工況及仿真過程

１）計算工況。依據(jù)現(xiàn)場施工情況及試驗(yàn)結(jié)果，考慮隧洞洞壁附近４ 個濕度擴(kuò)散深度（２５、５０、７５、１００ ｃｍ），分別對應(yīng)圖４ 中圍巖濕度擴(kuò)散范圍①、①②、①②③、①②③④。對不同濕度擴(kuò)散深度進(jìn)行分析時，隧洞內(nèi)壁的濕度?。保埃埃?，不同工況下最大濕度擴(kuò)散深度處的濕度取初始濕度值。由工程勘察得知，接觸帶洞段圍巖的初始濕度為５７％，通氣井洞段圍巖的初始濕度為６５％，假定濕度擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的濕度呈線性變化。

對不同濕度擴(kuò)散深度的輸水隧洞接觸帶和通氣井洞段典型斷面的圍巖劣化后力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表３。隨著濕度由洞壁向圍巖內(nèi)部擴(kuò)散的逐漸減小，對圍巖力學(xué)特性的劣化也逐漸減弱，即圍巖的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度（與黏聚力成正比）由洞壁向圍巖內(nèi)部逐漸接近圍巖為劣化情況的取值。

２）仿真過程。本次計算選取蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞Ⅳ類圍巖某一斷面，建立施工期濕度劣化作用下泥質(zhì)砂巖隧洞受力數(shù)值計算模型（見圖４）。

分析圖５ 可知，隨著濕度擴(kuò)散深度的增大，圍巖最大位移由１６０ ｍｍ（濕度擴(kuò)散深度為２５ ｃｍ）增大到３００ｍｍ（濕度擴(kuò)散深度為１００ｃｍ）。分析圖６ 可知，隨著濕度擴(kuò)散深度的增大，圍巖塑性區(qū)深度從４．５ ｍ（濕度擴(kuò)散深度為２５ ｃｍ）逐漸增大至５．５ ｍ（濕度擴(kuò)散深度為１００ｃｍ）?？梢钥闯?，圍巖變形量和塑性區(qū)范圍隨著濕度擴(kuò)散深度增大而逐漸增大。

考慮到泥質(zhì)砂巖中濕度擴(kuò)散的速度及施工工期，在風(fēng)化不嚴(yán)重洞段，泥質(zhì)砂巖的實(shí)際濕度擴(kuò)散深度往往不會太大，據(jù)現(xiàn)場取樣，濕度擴(kuò)散深度一般小于５０ｃｍ。在泥質(zhì)砂巖洞段施工期濕度擴(kuò)散對圍巖存在一定的劣化作用，且劣化程度隨濕度擴(kuò)散深度增大而提高，對該洞段施工時，建議開挖后盡早封閉圍巖并施加支護(hù)，以減小濕度擴(kuò)散對圍巖的劣化作用。

４泥質(zhì)砂巖輸水隧洞運(yùn)行期安全性仿真分析

４．１計算工況及仿真過程

１）計算工況。根據(jù)隧洞圍巖遇水劣化情況和加固支護(hù)情況，設(shè)置３ 種計算工況：不考慮圍巖遇水劣化、圍巖加固充填不達(dá)標(biāo)（工況Ⅰ），考慮圍巖遇水劣化、圍巖加固充填不達(dá)標(biāo)（工況Ⅱ），考慮圍巖遇水劣化、圍巖加固充填達(dá)標(biāo)（工況Ⅲ）。其中：圍巖加固方法為灌漿加固，加固區(qū)相關(guān)參數(shù)按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值和工程經(jīng)驗(yàn)取值；豆粒石充填不達(dá)標(biāo)是指依據(jù)豆粒石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，將除拱頂部位外的豆粒石力學(xué)參數(shù)取試驗(yàn)結(jié)果的平均值，而拱頂１２０°范圍內(nèi)的豆礫石力學(xué)參數(shù)按充填最差的豆礫石試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取值。結(jié)合前期工程地質(zhì)勘察報告、試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，數(shù)值計算模型各部位物理力學(xué)參數(shù)見表４。管片內(nèi)部施加內(nèi)水壓力，內(nèi)水壓力值根據(jù)劉家峽水庫正常蓄水與隧洞軸線的高程差設(shè)置為０．６３ ＭＰａ。

２）仿真過程。選取與３．１ 節(jié)相同隧洞斷面建立運(yùn)行期隧洞有限元計算模型，模型包含初襯、二襯（管片）、豆粒石填充體及圍巖灌漿加固區(qū)，見圖７。一般而言，隧洞開挖時洞壁附近圍巖在開挖荷載作用下會出現(xiàn)一定深度（０．５～１．０ ｍ）的損傷區(qū)，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果和滲流場數(shù)值計算結(jié)果，從保證工程安全的角度取圍巖劣化深度為１．０ ｍ。同時，根據(jù)前期濕度劣化力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，劣化后圍巖力學(xué)參數(shù)取未劣化時的０．１ 倍。

４．２仿真計算結(jié)果分析

不同工況下管片的位移、最大主應(yīng)力（壓應(yīng)力）、最小主應(yīng)力（拉應(yīng)力）以及管片間張開度計算結(jié)果（隧洞軸線向里為水流方向）見圖８～圖１０。

由圖８ ～ 圖１０ 可知：工況Ⅰ，管片最大位移為０．３４ ｍｍ、最大主應(yīng)力為１．４ ＭＰａ、最小主應(yīng)力為３．５ ＭＰａ，管片間最大張開度為６．２３ ｍｍ（位于頂管片與右側(cè)拱肩管片間）；工況Ⅱ，管片最大位移為０．８０ ｍｍ、最大主應(yīng)力為３．５ ＭＰａ、最小主應(yīng)力為９．０ ＭＰａ，管片間最大張開度為７．４７ ｍｍ（位于頂管片與右側(cè)拱肩管片間）；工況Ⅲ，管片最大位移為０．２２ ｍｍ、最大主應(yīng)力為１．２ ＭＰａ、最小主應(yīng)力為４．０ ＭＰａ，管片間最大張開度為２．８１ ｍｍ（位于底管片與右側(cè)拱腳管片間）。

對比工況Ⅰ和工況Ⅱ，考慮泥質(zhì)砂巖隧洞圍巖濕度劣化作用時，管片最大位移增大了０．４６ ｍｍ、最大主應(yīng)力增大了２．１ ＭＰａ、最小主應(yīng)力增大了５．５ ＭＰａ、管片間最大張開度增大了１．２４ ｍｍ?？梢姡噘|(zhì)砂巖圍巖遇水劣化后對管片的變形及受力情況產(chǎn)生了一定影響。對比工況Ⅱ和工況Ⅲ，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圍巖加固和豆粒石填充條件下，管片最大位移減小了０．５８ ｍｍ、最大主應(yīng)力減小了２．３ ＭＰａ、最小主應(yīng)力減小了５．０ ＭＰａ、管片間最大張開度減小了４．６６ ｍｍ?？梢姡礃?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圍巖加固和豆粒石填充可以有效改善管片襯砌的受力和變形情況；同時，圍巖加固和豆粒石填充還影響了管片間最小主應(yīng)力出現(xiàn)的位置，使管片受力最不利位置從拱底變?yōu)楣绊?，降低了隧洞滲漏水的可能性，有利于輸水隧洞的安全運(yùn)行。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓》（ＧＢ／ Ｔ１２２８—２００６）要求，輸水隧洞管片間的１０．９ 級Ｍ２４ 高強(qiáng)度連接螺栓的容許變形（允許位移）≤６ ｍｍ。由此可知：工況Ⅰ中頂管片與右側(cè)拱肩管片間的高強(qiáng)度螺栓伸長量超過了規(guī)范容許變形值，工況Ⅱ中頂管片與左側(cè)拱肩管片間、頂管片與右側(cè)拱肩管片間的高強(qiáng)度螺栓伸長量均超過了規(guī)范容許變形值，此時，隧洞運(yùn)行時發(fā)生管片接縫拉開、密封失效、隧洞滲漏水的可能性提高，存在安全隱患；工況Ⅲ中管片間的１０．９ 級Ｍ２４高強(qiáng)度螺栓伸長量均在容許變形范圍內(nèi)，因此按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圍巖加固和豆粒石填充可有效降低隧洞的運(yùn)行風(fēng)險。

５結(jié)論

１）隨著浸潤時間的增加，泥質(zhì)砂巖中的黏土礦物吸水后膨脹變形，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，最大軸向應(yīng)變逐漸增大。三軸壓縮條件下，巖樣偏應(yīng)力峰值及峰后偏應(yīng)力跌幅隨浸潤時間增加逐漸減小。

２）施工期泥質(zhì)砂巖洞段濕度擴(kuò)散對圍巖存在一定的劣化作用，且隧洞圍巖位移隨濕度擴(kuò)散深度增大而增大，建議開挖后盡早封閉圍巖并施加支護(hù)，以減小濕度擴(kuò)散對圍巖的劣化作用。

３）泥質(zhì)砂巖圍巖遇水劣化后，對輸水隧洞管片襯砌的變形及受力產(chǎn)生了不利影響，管片襯砌位移和主應(yīng)力增大，管片間張開度增大，隧洞運(yùn)行時容易發(fā)生滲漏。

４）圍巖加固和豆粒石填充可有效減小管片間的張開度，同時影響管片間最小主應(yīng)力出現(xiàn)的位置，使管片受力最不利位置從拱底變?yōu)楣绊?，降低隧洞滲漏水的可能性，有利于輸水隧洞的安全運(yùn)行。