復(fù)雜地質(zhì)條件下的地下洞室群施工期圍巖穩(wěn)定分析

曾繼坤，彭 強(qiáng)，陳 熠，王振紅

(1.華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建 寧德 352100；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所，北京 100038)

0 引 言

由于受到地形地質(zhì)條件等因素的限制，不少水電樞紐工程采用地下廠房布置形式，因而需要建設(shè)地下廠房洞室群。大型地下洞室群一般都是洞室布置復(fù)雜，多條斷層與洞室交叉，多條斷層和洞室相互交叉的隨意性嚴(yán)重影響著地下洞室群的安全與穩(wěn)定[1-4]。在地下洞室群施工建設(shè)過(guò)程中，特別是對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的地下洞室群，洞室開挖對(duì)圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，造成巨大卸荷效應(yīng)，對(duì)圍壓穩(wěn)定有巨大影響。斷層、節(jié)理等軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和高地應(yīng)力是主導(dǎo)地下洞室群圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素[5-7]。首先，地下廠房洞室群圍巖存在的軟弱夾層、斷層、裂隙及層間錯(cuò)動(dòng)帶等，必將造成圍巖空間上的非均質(zhì)性和不連續(xù)性。其次，在高地應(yīng)力條件下，開挖卸荷問(wèn)題將更加突出，不可避免形成開挖塑性區(qū)，甚至損傷區(qū)，嚴(yán)重影響洞室群圍巖穩(wěn)定[8-13]。最后，圍巖強(qiáng)度參數(shù)和變形特征復(fù)雜多變，存在著不確定性和可變性。

地下洞室群的圍巖穩(wěn)定問(wèn)題關(guān)系到工程建設(shè)安全，需要進(jìn)行深入研究。目前，圍巖穩(wěn)定分析主要通過(guò)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、理論解析方法和數(shù)值分析方法等手段實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值分析方法高效率、成本低，越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

周寧抽水蓄能電站位于福建省周寧縣境內(nèi)，裝機(jī)容量1 200 MW。地下廠房洞室群為主要建筑物，以主副廠房洞、主變洞、尾閘洞為主體，3大洞室平行布置，上下分層，相互連通。廠房的洞軸線方向?yàn)镹23°W，主副廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的水輪機(jī)組，洞室尺寸為 170 m×24.5 m×55.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，主變洞尺寸為 165 m×19 m×22.65 m，尾閘洞尺寸為106.5 m×8 m×18 m。廠房與主變洞間設(shè)4條母線洞、1條主變運(yùn)輸洞和1條電纜交通洞，洞室采用系統(tǒng)錨桿加噴混凝土的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

地下廠房所處山體較雄厚，上覆巖體厚為280～375 m。廠房周圍巖石以微弱風(fēng)化的花崗巖體占據(jù)主導(dǎo)地位，其他小區(qū)域有石英巖脈等巖體分布，巖體較完整～完整為主，局部完整性差。在地下廠房洞室群區(qū)域發(fā)現(xiàn)有20條斷層，包含3個(gè)較大的斷層f52、f61、f67，長(zhǎng)度較大，寬都在0.5 m左右，其走向與廠房縱軸線呈大角度相交；其他小斷層發(fā)育數(shù)量雖多，但大都與廠房縱軸線均呈大角度相交，為中陡傾角結(jié)構(gòu)面。

地下廠房洞室圍巖透水性總體微弱，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，Ⅱ類約占 82.4%，Ⅲ類約占 15.0%，斷層破碎帶及影響帶為Ⅳ類，約占 2.6%，圍巖整體穩(wěn)定～基本穩(wěn)定，斷層帶及局部節(jié)理間切割形成的小不穩(wěn)定塊體穩(wěn)定性差，需采取噴錨支護(hù)措施。

2 計(jì)算方法

2.1 模型建立

仿真模型建立時(shí)，考慮2倍的實(shí)際工程尺寸，建立地下洞室模型的長(zhǎng)為344 m，寬約246 m，高約115.6 m，包括地基到地面。考慮對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較大的3條斷層結(jié)構(gòu)面f52、f61和f67的影響。斷層采用6結(jié)點(diǎn)棱柱體單元，其他部分均采用4結(jié)點(diǎn)四面體單元。仿真計(jì)算網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 仿真計(jì)算網(wǎng)格模型

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

廠房圍巖以Ⅱ類鉀長(zhǎng)花崗巖為主，地質(zhì)條件總體較好。計(jì)算中模擬了對(duì)廠房影響相對(duì)較大的f52、f61和f67結(jié)構(gòu)面。圍巖及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 圍巖及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

根據(jù)電站廠房的設(shè)計(jì)布置和施工計(jì)劃設(shè)計(jì)，廠房主副洞按照7層施工分層。尾水洞按照3層施工分層。廠房洞室的開挖順序見圖2。各期的開挖情況見表2。

表2 分層開挖規(guī)劃

圖2 廠房洞室的開挖順序(單位：尺寸mm；高程m)

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)洞室群開挖區(qū)附近的3條斷層f52、f61、f67以及圍巖的實(shí)體單元采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[11]；對(duì)距離開挖區(qū)較遠(yuǎn)，距離邊界較近的單元采用線彈性準(zhǔn)則；對(duì)錨桿單元采用線彈性準(zhǔn)則。

3.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)

通過(guò)對(duì)地下廠房的初始地應(yīng)力場(chǎng)分析可知[12]，廠房區(qū)域最大主應(yīng)力約為-10～-18 MPa，第二主應(yīng)力約為-8～-14 MPa，最小主應(yīng)力約為-4～-10 MPa。從地應(yīng)力量值上看，廠房部位屬于低～中等地應(yīng)力場(chǎng)。斷層附近巖體的主應(yīng)力較小。分析結(jié)果與地應(yīng)力實(shí)測(cè)值吻合較好。

3.2 無(wú)支護(hù)情況下的圍巖穩(wěn)定分析

仿真計(jì)算時(shí)，首選給計(jì)算模型添加初始地應(yīng)力，結(jié)合初始條件和約束情況，依據(jù)不同的分層開挖方案，采取生死單元法模擬開挖過(guò)程。首選計(jì)算方案為沒(méi)有支護(hù)情況的巖土應(yīng)力、變形。選取2號(hào)母線洞中心剖面9個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析，特征點(diǎn)分別位于主廠房、主變洞、尾閘洞的上游邊墻、頂拱、下游邊墻，具體位置見圖3。

圖3 特征點(diǎn)位置示意

3.2.1圍巖變形分布特征

在施工模擬過(guò)程中，隨著分層開挖的進(jìn)行，洞周圍巖向洞內(nèi)擠壓變形，位移逐漸增大。洞室附近圍巖變形除斷層結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的部分區(qū)域較大外，整體上分布較為規(guī)律，距洞室較遠(yuǎn)的圍巖基本不受施工開挖的影響。位于3大洞室的上游邊墻、頂拱和下游邊墻的9個(gè)特征點(diǎn)在每期開挖后的位移統(tǒng)計(jì)見表3。

從表3可知，開挖初期，頂拱變形較大，邊墻變形較?。坏S著洞室下層的開挖，邊墻的位移迅速增長(zhǎng)，頂拱的位移增長(zhǎng)緩慢，高邊墻逐漸形成；洞室圍巖的變形主要集中在洞室的邊墻，頂拱的位移相對(duì)較?。欢词叶藟Φ淖冃我?guī)律性較強(qiáng)，位移逐步增長(zhǎng)。開挖后期，洞室圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定，洞室形態(tài)基本正常，但由于各洞室之間的開挖會(huì)相互影響，所以個(gè)別特征點(diǎn)的位移存在先減小后增大的變化；洞室的尺寸對(duì)圍巖變形有較大的影響，廠房的圍巖位移最大。計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示，洞室寬度對(duì)頂拱的位移有較大影響，洞室高度為邊墻位移的主要影響因素；斷層對(duì)洞室周圍圍巖位移產(chǎn)生影響，特別是對(duì)與洞室交匯處的圍巖位移影響明顯。

表3 洞室各特征點(diǎn)在施工開挖過(guò)程中的位移 mm

3.2.2圍巖應(yīng)力分布特征

從各斷面的主應(yīng)力分布圖來(lái)看，圍巖的應(yīng)力分布呈現(xiàn)如下規(guī)律：洞室頂拱、底板與邊墻相交處一般為應(yīng)力集中區(qū)，一般在洞室結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)折部位易發(fā)生應(yīng)力集中，邊墻兩側(cè)巖體常常發(fā)生松弛現(xiàn)象。

廠房開挖后，洞室邊墻應(yīng)力降低明顯，兩側(cè)區(qū)域的圍巖會(huì)發(fā)生松弛現(xiàn)象，表現(xiàn)在一定的深度范圍。邊墻中部的松弛區(qū)域較深，兩端的松弛區(qū)域較淺，邊墻的高度越高，松弛現(xiàn)象也更為明顯和嚴(yán)重。此外，邊墻和頂拱的連接部位、邊墻和底板的連接部位以及洞口部位都是拉應(yīng)力區(qū)域，但最大拉應(yīng)力小于1.0 MMPa，對(duì)周圍巖體的穩(wěn)定影響較小。最大拉應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在尾閘洞頂拱的拱角處，為36 MPa，遠(yuǎn)小于圍巖的抗壓強(qiáng)度。應(yīng)力松弛區(qū)的深度與應(yīng)力集中值隨著開挖的推進(jìn)而不斷增加。相比洞室周圍其他部位的圍巖，斷層兩側(cè)的圍巖的壓應(yīng)力值明顯偏小，距洞室較遠(yuǎn)的圍巖基本不受施工開挖的影響。

3.2.3巖體的塑性特性分析

在開挖過(guò)程中，因開挖形成的臨空面周圍了產(chǎn)生一定深度的塑性區(qū)，廠房的塑性區(qū)深度最深，頂拱塑性區(qū)深度在3.5 m左右，上、下游邊墻中部塑性區(qū)深度最大約16 m，大于頂拱塑性區(qū)深度；洞室與洞室交叉部位是塑性特性表現(xiàn)明顯的區(qū)域，且范圍明顯，表現(xiàn)明顯的是母線洞端部與廠房連接區(qū)域，塑性區(qū)表現(xiàn)深度約20 m；主變洞的頂拱區(qū)的塑性區(qū)表現(xiàn)深度約3 m。對(duì)比主變洞的上、下游邊墻區(qū)域的塑性表現(xiàn)深度可以發(fā)現(xiàn)，上游略大于下游，最大深度約12 m；尾水事故閘門洞兩側(cè)邊墻塑性區(qū)約8 m；在斷層兩側(cè)的塑性區(qū)的塑性應(yīng)變也相對(duì)較大。

3.3 錨桿支護(hù)情況下的圍巖穩(wěn)定分析

洞室群主要支護(hù)形式為柔性的系統(tǒng)噴錨支護(hù)，廠房洞室采用的支護(hù)方式為：砂漿錨桿直徑25 mm或28 mm、長(zhǎng)6 m或8 m、間距1.5 m×1.5 m；主變洞周圍的巖體采用直徑為22 mm的砂漿錨桿，長(zhǎng)6 m、間距1.5 m×1.5 m；尾閘洞周圍的巖體采用直徑為25 mm的砂漿錨桿，長(zhǎng)5 m、間距1.5 m×1.5 m；母線洞采用直徑為25 mm的砂漿錨桿，長(zhǎng)4.5 m、間距1.5 m×1.5 m。

3.3.1圍巖變形分布特征

支護(hù)前后特征點(diǎn)在開挖完成后的位移變化見表4。從表4可知，支護(hù)措施對(duì)洞室圍巖的變形有一定的改善作用，但效果并不是特別明顯，特征點(diǎn)位移的減小量在5%以內(nèi)?？赡苁且?yàn)槎词抑車乃苄詤^(qū)的深度較大，而錨桿的長(zhǎng)度最大為8 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到塑性區(qū)的深度，未能有效發(fā)揮錨桿的作用所致。

表4 支護(hù)前后特征點(diǎn)在開挖完成后的位移變化

從開挖支護(hù)過(guò)程中位移的變化趨勢(shì)可以看出，加錨桿支護(hù)后，位移的變形規(guī)律與不加錨桿時(shí)大體相同，這時(shí)的頂拱區(qū)域向下位移不再變化，兩側(cè)的邊墻位移都在允許范圍內(nèi)，最大值約為2.0 cm，洞室的位移變化正常。

表5 施工開挖過(guò)程中在不同階段不同應(yīng)力范圍內(nèi)錨桿受力統(tǒng)計(jì)

3.3.2圍巖應(yīng)力分布特征

加錨桿后，拉應(yīng)力有一定程度的改善，減小值約為8%，圍巖的壓應(yīng)力基本不變。支護(hù)作用對(duì)改善應(yīng)力松弛現(xiàn)象起了一定的作用，邊墻的應(yīng)力松弛區(qū)的范圍有所減小。支護(hù)作用在改善圍巖最小主應(yīng)力分布效果方面較為明顯。

3.3.3圍巖塑性區(qū)分布特征

通過(guò)模型分析，支護(hù)后圍巖塑性區(qū)范圍有一定的減小，說(shuō)明系統(tǒng)支護(hù)對(duì)控制圍巖的塑性區(qū)分布有改善作用，但改善效果不很明顯。在地下洞室群和斷層交差處，洞室的邊墻部位和頂拱部位可能存在失穩(wěn)現(xiàn)象。加錨桿支護(hù)后，塑性變形與不加錨桿時(shí)相比有所減小。

3.3.4錨桿應(yīng)力分析

支護(hù)后，洞室周圍的圍巖和支護(hù)體共同受力，相互之間協(xié)調(diào)變形，受力平衡。施工過(guò)程中錨桿的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見表5。從表5可知，隨著洞室的不斷開挖，錨桿的應(yīng)力值不斷提高，僅有2%左右錨桿受力超過(guò)250 MPa，占比例較低，且主要集中于f52、f61和f67出露部位、主副廠房洞上游邊墻中部以及下游邊墻的母線洞的洞口附近，可以通過(guò)優(yōu)化局部支護(hù)設(shè)計(jì)等措施保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。絕大多數(shù)錨桿受力均在150 MPa以下，小于錨桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度?？偟膩?lái)說(shuō)，錨桿的整體應(yīng)力水平不高。開挖完成后，100 MPa以下的錨桿占總體的67.07%，150 MPa以下的錨桿占總體的84.61%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于施工組織設(shè)計(jì)擬定的分層開挖及支護(hù)方案， 采用有限元法對(duì)圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布及錨桿應(yīng)力分布進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)廠房圍巖的整體穩(wěn)定性較好。圍巖的位移分布基本符合一般規(guī)律，頂拱向下變形，底板向上變形，邊墻向洞室內(nèi)側(cè)變形，且圍巖的位移整體很小，最大值不超過(guò)2.5 cm；圍巖的拉應(yīng)力較小，壓應(yīng)力不超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度。

(2)斷層是影響洞室區(qū)域巖體穩(wěn)定的主要因素。廠房洞室開挖后，其周圍巖體的變形范圍都有一定程度的增大，最大主壓應(yīng)力也有所減小；錨桿應(yīng)力在斷層、邊墻中部以及母線洞洞口附近應(yīng)力較大，而在其他部位應(yīng)力較小。

(3)采取錨桿支護(hù)措施后，洞室的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布均有所改善，錨桿整體的應(yīng)力水平不高，應(yīng)力值基本都不超過(guò)鋼筋的屈服強(qiáng)度，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)基本合理；母線洞與廠房上游邊墻和主變洞下游邊墻相交的洞口部位的受力條件相對(duì)較差，位移較大。

(4)在設(shè)計(jì)給定的錨桿支護(hù)條件下，洞室圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均在合理的范圍內(nèi)，巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的。洞室開挖支護(hù)方案能夠滿足圍巖的穩(wěn)定性要求，支護(hù)參數(shù)基本合理。