基于Phase2的地下廠房及尾調(diào)室開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)

石高峰

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434)

基于Phase2的地下廠房及尾調(diào)室開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)

石高峰

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434)

基于Phase2模擬了TP水電站地下廠房及尾調(diào)室的開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程，并以非線性本構(gòu)模型廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)措施的支護(hù)能力進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。分析表明：圍巖的應(yīng)力釋放及變形主要集中在廠房及尾調(diào)室邊墻中部。在高跨比較大的前提下，所采用的支護(hù)措施能夠有效控制洞室周邊的最大相對(duì)位移量，支護(hù)措施的支護(hù)能力均滿足要求。

Phase2；Hoek-Brown準(zhǔn)則；圍巖穩(wěn)定性；支護(hù)能力；TP水電站

0 引 言

1 計(jì)算理論及施工模擬過(guò)程

地下洞室的開(kāi)挖與支護(hù)采用“新奧法”理念，利用巖土專業(yè)有限元程序Phase2進(jìn)行開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程的模擬，本構(gòu)模型采用廣義HOEK-BROWN準(zhǔn)則[1- 2]，其表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，σ1為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；σ3為作用在巖體上的最小主應(yīng)力；σci為完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、a為巖體強(qiáng)度參數(shù)，可表示為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的函數(shù)；mi為巖石材料常數(shù)；D為工程因素影響系數(shù)(該值取0～1之間，對(duì)于原巖無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)為0，對(duì)于充分?jǐn)_動(dòng)的巖體為1)。

Alluriquín廠房及尾調(diào)室開(kāi)挖與支護(hù)的施工過(guò)程見(jiàn)表1和圖1。廠房頂拱的鋼筋支護(hù)見(jiàn)圖2。

表2 不同巖石開(kāi)挖擾動(dòng)系數(shù)下的地質(zhì)參數(shù)

位置巖石類別巖性巖體質(zhì)量分級(jí)RMR開(kāi)挖擾動(dòng)系數(shù)D巖石單軸抗壓強(qiáng)度/MPa地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI泊松比υ巖體強(qiáng)度參數(shù)mbsa巖體變形模量Erm/GPa743.50m高程以上Ⅲ斑狀安山巖(或凝灰?guī)r)、輝石安山巖56066510.243.3020.00430.5058.600.556510.241.8420.00150.5055.90743.50m高程以下Ⅲ安山巖摻夾凝灰?guī)r60071550.243.8090.00670.50411.20.559550.242.2290.00250.5047.7

表1 廠房、尾調(diào)室開(kāi)挖與支護(hù)施工順序

廠房尾調(diào)室開(kāi)挖支護(hù)開(kāi)挖支護(hù)備注I-11I1同步I-22II2同步I-3、I-43II、V-14、8III3同步III-1、VI-15、9-1III-26IV4同步IV7V5同步V-2VI-29-2

圖1 廠房、尾調(diào)室開(kāi)挖與支護(hù)施工順序示意(單位：m)

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 巖石特性參數(shù)及地下水參數(shù)

廠房及尾調(diào)室圍巖類別為III類，假定廠房開(kāi)挖后形成松動(dòng)圈范圍為3 m，松動(dòng)圈內(nèi)巖石開(kāi)挖擾動(dòng)系數(shù)取D=0.5，松動(dòng)圈外取D=0?？紤]擾動(dòng)后的巖體地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。廠房處地下水位埋深約20 m，水頭約150 m，圍巖滲透系數(shù)取5×10-6m/s。

2.2 支護(hù)措施及參數(shù)

初擬支護(hù)措施采用“掛網(wǎng)噴混凝土+全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿+高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿+錨索”方案，掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3，其中廠房752.5 m高程以上、尾調(diào)室742.0 m高程以上噴厚0.2 m的混凝土，其余部位為0.15 m。

表3 廠房、尾調(diào)室掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

混凝土參數(shù)鋼筋參數(shù)彈模/GPa泊松比抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa間排距/m直徑/mm彈模/GPa泊松比強(qiáng)度/MPa21.80.15212.10.1562000.3420

錨桿及錨索支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。具體方案為：①全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿。在廠房底部斜坡段采用直徑25 mm、長(zhǎng)6 m，其余部位為直徑32 mm、長(zhǎng)8 m，752.5 m高程以上錨桿間排距為1.2 m，以下為1.5 m；尾調(diào)室頂拱錨桿采用直徑32 mm、長(zhǎng)6 m，邊墻采用直徑32 mm、長(zhǎng)8 m，742.0 m高程以上錨桿間排距為1.5 m，以下為1.8 m。②高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿。廠房頂拱選用長(zhǎng)15 m，間距4.8 m，上游側(cè)邊墻選用長(zhǎng)18 m，共4排，上部1排間距4.8 m，下部3排間排距6.0 m；尾調(diào)室下游側(cè)邊墻布置4排，上部2排間排距4.8 m，下部2排6.0 m。③預(yù)應(yīng)力錨索。錨索對(duì)拉廠房和尾調(diào)室，上部2排間排距4.8 m，下部2排6.0 m。

表4 錨桿及錨索支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

部位類型直徑/mm長(zhǎng)度/m抗拉力/MN預(yù)加力/MN廠房全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿Φ2560.206—全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿Φ3280.338—高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿Φ3615/180.8490.5預(yù)應(yīng)力錨索10根Φ15.2鋼絞線332.2151.5尾調(diào)室全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿Φ326/80.338—高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿Φ36180.8490.5預(yù)應(yīng)力錨索10根Φ15.2鋼絞線332.2151.5

圖2 廠房頂拱連接鋼筋分布示意

2.3 初始地應(yīng)力

通過(guò)模擬自重產(chǎn)生的初始地應(yīng)力場(chǎng)，得到廠房及尾調(diào)室初始地應(yīng)力值分別為σ1=5.55 MPa，σ3=3.45 MPa，σ2=4.95 MPa。

3 圍巖穩(wěn)定性分析

用Phase2模擬廠房及尾調(diào)室開(kāi)挖與支護(hù)按照表1和圖1的施工方案進(jìn)行，最終開(kāi)挖與支護(hù)完成的模型如圖3所示。

由圖4可見(jiàn)廠房開(kāi)挖面的最大位移位于上游側(cè)

圖3 開(kāi)挖與支護(hù)模型

圖4 圍巖位移變形等值線示意(單位：cm)

邊墻中部，尾調(diào)室開(kāi)挖面的最大位移位于下游側(cè)邊墻中部，結(jié)果見(jiàn)表5，廠房和尾調(diào)室周邊相對(duì)位移值分別為0.22%、0.33%。GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中高跨比0.8～1.2的地下洞室，III類圍巖跨度不大于20 m，當(dāng)洞室埋深為50～300 m，洞室周邊允許位移相對(duì)值0.2%～0.5%。而在本工程中，廠房的高跨比為1.6，尾調(diào)室的高跨比為3.4，但是最大相對(duì)位移量均小于0.5%，由此可認(rèn)為在大高跨比的條件下，相對(duì)位移量能夠得到有效的控制。

圖6 廠房及尾調(diào)室掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)能力

表5 廠房及尾調(diào)室上下游側(cè)圍巖最大位移量對(duì)比

由圖5圍巖塑性區(qū)云圖可見(jiàn)：廠房與尾調(diào)室之

間巖柱的塑性區(qū)未貫穿，最大的塑性區(qū)主要分布在邊墻中部，塑性區(qū)深度最大約10 m，塑性區(qū)深度為廠房跨度的0.37倍，一般認(rèn)為，洞周塑性區(qū)或松弛區(qū)深度不大于洞室跨度的0.5～0.6時(shí)，洞室是安全的。塑性區(qū)深度基本在錨桿深度范圍之內(nèi)，說(shuō)明塑性區(qū)的開(kāi)展在有效的支護(hù)范圍之內(nèi)。

圖5 圍巖塑性區(qū)云圖分布示意

4 支護(hù)能力分析

圖6為廠房及尾調(diào)室掛網(wǎng)噴不同厚度混凝土的支護(hù)能力，結(jié)果表明掛網(wǎng)鋼筋和噴混凝土的支護(hù)能力基本滿足要求，局部噴混凝土安全系數(shù)小于1.0，這是由于在局部開(kāi)挖面產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂，但是初次柔性支護(hù)的作用是使得圍巖自身的承載能力得到最大限度的發(fā)揮，因此局部的噴混凝土開(kāi)裂是可以接受的。

圖8 廠房、尾調(diào)室錨索錨桿軸力分布

廠房及尾調(diào)室的錨桿、錨索編號(hào)如圖7所示，圖8為錨索錨桿軸力分布。由圖8a可知，第93、127、128、146號(hào)預(yù)應(yīng)力錨索最大軸力分別為1.52、1.58、1.63、1.51 MN，均在預(yù)應(yīng)力錨索承受的范圍之內(nèi)，軸力較大區(qū)域主要在端部10 m范圍之內(nèi)。由圖8b可知，廠房頂拱高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿(長(zhǎng)度15 m)在臨近開(kāi)挖面端部4 m范圍內(nèi)的軸力變化幅度較大，在深入巖體內(nèi)部，軸力趨于穩(wěn)定。由圖8c、8d可知，廠房及尾調(diào)室邊墻高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿(長(zhǎng)度18 m)在臨近開(kāi)挖面端部8 m范圍內(nèi)的軸力變化幅度較大，在深入巖體內(nèi)部，軸力趨于穩(wěn)定。

圖7 錨桿及錨索編號(hào)

根據(jù)全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿的軸力極值分布結(jié)果可知，φ32、φ25錨桿的最大軸力分別為0.328、0.157 MN，均在可承受的抗拉力范圍之內(nèi)，在邊墻中部位置錨桿的軸力最大，向上下兩側(cè)軸力逐漸減小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Phase2構(gòu)建了Alluriquín廠房的開(kāi)挖與支護(hù)模型，分析圍巖穩(wěn)定性并驗(yàn)證了支護(hù)措施的支護(hù)能力。結(jié)果表明：①初次柔性支護(hù)作用之后，圍巖自身的承載能力得到最大限度的發(fā)揮，另外由于廠房及尾調(diào)室高跨比較大，促使邊墻中部位置的應(yīng)力釋放較大，位移變形和塑性區(qū)較大區(qū)域也集中在該位置。采取相應(yīng)的支護(hù)措施后，洞室周邊最大的相對(duì)位移量較小，廠房和尾調(diào)室中部巖柱的塑性區(qū)范圍未貫穿。②通過(guò)支護(hù)能力分析可知，掛網(wǎng)噴混凝土的安全系數(shù)滿足要求，局部位置由于應(yīng)力集中可能導(dǎo)致噴混凝土的局部破壞，但是對(duì)于初次柔性支護(hù)而言，這是可以接受的；錨桿(錨索)的軸力分布滿足錨桿自身的抗拉要求。故所采用的支護(hù)措施安全可靠。

[1]HOEK E， BROWN E T. Practical estimates of rock mass strength[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science， 1998， 34(8)： 1165- 1186.

[2]HOEK E， CARRANZA-TORRES C， CORKUM B. Hoek-Brown failure criterion-2002 Edition[C]∥Proc. NARMS-TAC Conference. Toronto： University of Toronto Press， 2002： 267- 273．

[3]溫森， 楊圣奇. 基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的隧洞圍巖變形研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011， 32(1)： 63- 69．

[4]肖明， 蘇鵬云， 陳濤. 瀑布溝地下廠房洞室群施工開(kāi)挖數(shù)值模擬分析[C]∥第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集. 成都： 中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)， 2004： 445- 449．

[5]楊小瓏， 孔勇. 天荒坪抽水蓄能電站地下廠房圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電， 1998(8)： 32- 34．

[6]于生波， 趙忠文， 逄立輝， 等. 蒲石河抽水蓄能電站地下廠房開(kāi)放支護(hù)設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電， 2012， 38(5)： 34- 36．

[7]朱駿發(fā)， 張朝康， 龍選民. 二灘水電站地下廠房的開(kāi)挖與支護(hù)[J]. 水力發(fā)電， 1997(8)： 47- 49．

[8]白帆， 賀鈺釧， 王曉輝. 拉西瓦水電站地下廠房開(kāi)挖分層及頂拱的開(kāi)挖支護(hù)[J]. 水力發(fā)電， 2007， 33(11)： 77- 79．

(責(zé)任編輯王 琪)

Design for Excavation and Supporting of Underground Powerhouse Based on Phase2

SHI Gaofeng

(Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

The excavation and supporting of TP Hydropower Station underground powerhouse are simulated by Phase2, and the rock stability and supporting capacity of supporting measures are analyzed and verified based on generalized Hoek-Brown criterion which is nonlinear constitutive model. It shows that the stress release and deformation of surrounding rock mainly locate in the middle of sidewalls. The maximum relative deformation along the surface of tunnel is under control when the height-span ratio is big, so it could be concluded that the supporting measures can meet requirements．

Phase2; Hoek-Brown criterion; Surrounding rock stability; supporting capacity; TP Hydropower Station

2014- 11- 14

石高峰(1986—)，男，江蘇啟東人，工程師，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作．

TV554.13；TV731.6(776)

B

0559- 9342(2015)12- 0063- 05