大型地下洞室群施工開挖方案及圍巖穩(wěn)定分析

周樹兵，童 偉，鄧樂榮

(1.四川岷江水利電力股份有限公司，四川成都 611830;2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

在大型水利水電工程中，地下廠房洞室群的規(guī)模往往較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多由兩大洞室或三大洞室以及它們之間許多聯(lián)絡(luò)的通道組成。在復(fù)雜地層中開挖這類地下工程群體，洞室的開挖方案對圍巖穩(wěn)定的影響至關(guān)重要。然而，地下洞室的施工開挖，從力學(xué)上講，這一過程往往是不可逆的非線性演化過程，它的最終狀態(tài)(或最終解)不是唯一的，而是與過程相關(guān)，或者說與應(yīng)力路徑或應(yīng)力歷史相關(guān)的［1］。因此，對已定巖體環(huán)境下，不同的地下洞室開挖方案就意味著在時空上以不同的方式對圍巖施加荷載，從而決定施工期內(nèi)圍巖的洞周位移和塑性區(qū)的分布。

本文基于彈塑性圍巖理論，采用三維非線性有限元法，在確定的地應(yīng)力環(huán)境條件下，研究西南某工程的主廠房、主變洞、尾調(diào)室等主要洞室分級開挖過程中圍巖的變形和破壞發(fā)育程度。同時，對3種開挖方案的異同進(jìn)行分析比較，從開挖過程圍巖穩(wěn)定的角度對不同的開挖方案的可行性進(jìn)行了評價，并優(yōu)選最佳方案。

2 工程簡介

西南某工程地下發(fā)電廠房樞紐是一大型地下洞室群體。其中主廠房洞室開挖尺寸為229.45m×27m×77.44m;主變洞開挖尺寸為179m×15.8m×19m;尾水調(diào)壓室開挖尺寸為172.5m×19.3m×99.6m。另外還有5條發(fā)電引水洞、5條母線洞、5條尾水管以及3條尾水洞，使整個地下洞室群龐大且錯綜復(fù)雜。整個地下洞室群布置區(qū)總體地形為向坡外傾斜，地勢西高東低、地面高程一般為700～820m，廠房洞室群埋深一般為260～315m，其NE側(cè)端墻距河岸約250m。地下洞室群穿過的巖層主要分別為二迭系吳家坪組(P2w)、茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)灰?guī)r為Ⅰ－Ⅱ類圍巖，梁山組(P1L)、志留系韓家店組(S2h)粘土巖為Ⅴ類圍巖，其它為Ⅲ－Ⅳ類圍巖。主廠房圍巖為層，除層及層圍巖中炭、泥質(zhì)生屑灰?guī)r為中硬巖外，其余均為堅硬巖。巖層走向30°～35°，傾向 NW，傾角 45°～48°，主廠房軸線與巖層走向交角40°～45°。主廠房部位分布有較多的規(guī)模較大的層間錯動帶，寬度一般為5～20cm。

3 計算模型

對地下洞室群進(jìn)行了三維彈塑性有限元計算模擬，計算范圍取450m×400m×400m，計算區(qū)域包含了主廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室、尾水管及尾水洞漸變段，同時在計算模型中模擬了穿越地下洞室群的2條層間錯動帶Fb54、Fb59和1條破碎夾層Ⅲ01。X軸與廠房縱軸線垂直，指向下游為正;Y軸鉛直向上為正;Z軸與廠房縱軸線平行，與X、Y軸成右手坐標(biāo)系。本模型采用八節(jié)點六面體單元，對重點研究的部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。三維計算區(qū)域總共剖分177 729個單元，節(jié)點總數(shù)為187 023個。三維整體模型計算網(wǎng)格見圖1。地下洞室群布置見圖2。

圖1 三維整體計算網(wǎng)格

圖2 地下洞室群布置

計算中將計算區(qū)模型的上游邊界、左面邊界定為位移約束邊界，約束水平方向的位移;模型的底面也為約束邊界，僅約束垂直方向的位移;模型的右面邊界、下游邊界為荷載邊界;模型的頂面施加由上部巖層產(chǎn)生的重力。根據(jù)地勘報告并進(jìn)行了三維地應(yīng)力場回歸反演得出地應(yīng)力場，計算時鉛直方向按自重應(yīng)力場施加;水平向應(yīng)力取側(cè)壓系數(shù)Kx=0.8，Kz=1.2，其中X方向為順河流方向，Z方向為垂直河流方向。

計算選用Mohr－Coulomb彈塑性材料模型。屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則。具體的計算參數(shù)如表1所示:

表1 計算采用的巖體力學(xué)及材料參數(shù)

4 初擬地下洞室群開挖方案

由于施工條件的限制，洞室群的開挖不可能全斷面一次開挖成型，而必須采取分期分塊的開挖方式，對于復(fù)雜地下洞室群的施工實際上是一個非線性加載過程，即是巖體施工力學(xué)的動態(tài)過程［2］。因此地下洞室群不同部位分期分塊開挖的組合對洞室的完建和穩(wěn)定有十分重要的影響。考慮地下洞室群施工工期仿真模擬研究成果，結(jié)合施工現(xiàn)場具體條件以及考慮經(jīng)濟(jì)、快速等因素，初步擬定3種代表性的開挖方案并進(jìn)行三維彈塑性計算分析。

圖3 方案1 開挖順序示意

方案1:先開挖主廠房1步后，再同時開挖主廠房和尾水調(diào)壓室，后開挖主變室。

方案2:先開挖主廠房，再開挖主變室，后開挖尾水調(diào)壓室(擬二灘水電站地下廠房實際開挖程序)。

方案3:先開挖主廠房1步后，主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室同時開挖。

3種開挖方案分期分塊開挖施工示意圖見圖3～5。

圖4 方案2 開挖順序示意

圖5 方案3 開挖順序示意

5 不同開挖方案的圍巖變形與破壞發(fā)育程度

5.1 圍巖的變形特征

由于地下廠房洞室群埋深較大，3種不同的開挖方案圍巖的位移場規(guī)律基本相似:由于應(yīng)力釋放，圍巖產(chǎn)生指向洞室內(nèi)部的回彈變形，頂拱及底板以豎向位移為主，邊墻以水平位移為主。同時，隨著洞室群的不斷開挖，受擾動圍巖的范圍不斷增大，洞室群最大位移量值也從低量值向高量值變化。另外，隨著開挖斷面的不斷增大和母線洞、尾水管的開挖，各個洞室的變形影響區(qū)從相對獨(dú)立發(fā)展到各洞室的變形場連接為統(tǒng)一的洞室群變形場，表現(xiàn)出等值線向洞室群中心偏轉(zhuǎn)的特征。3種方案3大洞室開挖后周邊各部位最大位移計算值見表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可知:

(1)在3種開挖方案中，主廠房邊墻的最大位移值均發(fā)生在2號機(jī)組中心線附近下游邊墻中部，因為斷層Fb54在此部位出露，加之母線洞的開挖增加了位移變形的臨空面，所以在此處產(chǎn)生較大的位移。主變洞邊墻最大位移值也都出現(xiàn)在主變洞與母線洞的兩洞交接臨空面較大處。

表2 3大洞室開挖后周邊各部位最大位移值 cm

(2)主廠房頂拱的最大位移值和底板回彈變形值沿廠房縱軸向變化不大，變幅都在5mm之內(nèi)，但是量值上都小于邊墻最大位移值。

(3)主變洞3種開挖方案中上下游邊墻最大位移值均小于頂拱的最大位移值，這是因為主變室的邊墻高度相對于主廠房和尾水調(diào)壓室較低的緣故。

(4)尾水調(diào)壓室的跨度與邊墻的比值相對于主廠房和主變室較小，因此，在3種開挖方案中尾水調(diào)壓室的頂拱和邊墻的最大位移值均小于另外兩大洞室。

(5)對比方案2和方案1、方案3可以看出，方案2的3大洞室的周邊最大位移值都較另外2種方案要大，這是由于方案2的分步開挖步數(shù)要比另外2種方案多了6步或8步，其對圍巖的擾動較大，圍巖的位移速度和應(yīng)變速度越慢，從而洞室周邊位移值較大。

5.2 圍巖的破壞發(fā)育情況

圍巖的破壞發(fā)育形式主要有3種:

(1)完整巖體的拉裂破壞(可能呈現(xiàn)單向、雙向、三向拉裂狀態(tài));

(2)沿優(yōu)勢裂隙面方向的定向破壞;

(3)沿軟弱結(jié)構(gòu)面的破壞［3］。

圍巖的穩(wěn)定性在很大程度上是受結(jié)構(gòu)面控制的，同時巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)的選取對于判斷圍巖穩(wěn)定性也起決定性作用。

不同的開挖方案計算結(jié)果表明，3種方案最終的塑性區(qū)分布規(guī)律基本上相同。主廠房和主變洞的周邊均存在塑性區(qū)，尾水調(diào)壓室的高邊墻也出現(xiàn)塑性區(qū)。在開挖過程中，頂拱出現(xiàn)的塑性區(qū)分布并不隨著后期施工的影響而擴(kuò)展，但邊墻的塑性區(qū)受后期開挖施工的影響較大，因為隨著整個洞室群分步開挖的進(jìn)行，高邊墻和各洞室交叉部位逐漸開挖形成多個臨空面，從而使塑性區(qū)得以發(fā)展并快速擴(kuò)大，并形成塑性貫通區(qū)，這說明該工程施工過程主要是高邊墻的穩(wěn)定問題。各方案開挖完成后塑性區(qū)分布示意見圖6。

5.3 圍巖穩(wěn)定性總體評價及方案選擇

采用三維彈塑性對3種不同的開挖方案進(jìn)行分析計算表明，西南某工程地下廠房洞室群開挖后洞室周邊圍巖的位移和塑性區(qū)分布符合一般規(guī)律。頂拱、邊墻和底板等工程部位的最大位移值均在工程安全允許范圍內(nèi)。但應(yīng)注意以下幾個方面:

(1)開挖過程中，前期開挖斷面上的位移受后期施工的影響而變化。同時位移值的大小也受施工開挖步數(shù)的影響，開挖步數(shù)越多，對圍巖的擾動越大，圍巖的位移速度和應(yīng)變速度越慢，洞室周邊位移值也較大。

圖6 各方案開挖完成后塑性區(qū)分布示意

(2)開挖頂拱時，拱頂出現(xiàn)的塑性區(qū)并不隨后期施工的影響而擴(kuò)展，而邊墻塑性區(qū)的擴(kuò)展易受其影響，甚至?xí)霈F(xiàn)大面積的貫穿。所以在實際施工中應(yīng)注意觀測和支護(hù)。

(3)斷層對塑性區(qū)分布有一定的影響。在開挖過程中，斷層穿過的部位會首先出現(xiàn)塑性變形，并在此基礎(chǔ)上開展。從結(jié)果來看，斷層穿過的地方也是塑性區(qū)連通的部位。因此在開挖斷層出露部位時應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理和加固措施。

(4)在洞室群的兩洞相交處開挖時，由于會形成較大臨空面，易產(chǎn)生較大的變形，特別是母線洞的開挖，極易會使主廠房和主變洞的塑性區(qū)相貫通，所以應(yīng)加強(qiáng)觀測和重點支護(hù)。

(5)從3種開挖方案最終的塑性區(qū)面積來看，方案3的面積相對較小，所以從空間角度上方案3對圍巖穩(wěn)定較為有利。

6 結(jié) 論

地下洞室群3種開挖方案計算分析成果表明，采用從上而下的分期開挖的施工方式，洞室圍巖的變形穩(wěn)定性未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。但是在洞室群的兩洞相交處，臨空面較大以及巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的部位，圍巖穩(wěn)定問題相對突出。因此，在施工中應(yīng)著重監(jiān)測這些部位的變位，注意及時采取支護(hù)處理。

從總體上看，3種開挖方案隨著開挖級數(shù)的增加，對圍巖的擾動越大，圍巖變位和破壞發(fā)育程度也隨之增大。因此在施工條件許可的情況下，應(yīng)盡量減少開挖次數(shù)以及從空間上錯開洞室間施工的相互影響。

［1］于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等．地下工程圍巖穩(wěn)定分析［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1989．

［2］鄭穎人，功效南．巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989．

［3］張學(xué)言．巖土塑性力學(xué)［M］．北京:人民交通出版社，1993．