軟巖地質(zhì)條件下大型地下洞室群交叉洞口開挖方案優(yōu)化

鄭德湘，蘇 超

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司，重慶401452；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

1 工程概況

重慶蟠龍抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW)，屬一等大(1)型工程，主要永久性建筑物按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要永久性建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。地下廠房洞室群主要由主廠房、主變洞、母線洞、主變運(yùn)輸洞、進(jìn)廠交通洞等組成。主廠房開挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.425 m(長(zhǎng)×寬×高)，機(jī)組安裝高程為466.00 m，廠房?jī)?nèi)共安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的單極立軸單轉(zhuǎn)速混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組中心間距為24.00 m；安裝場(chǎng)位于主廠房中部，進(jìn)廠交通洞由上游側(cè)進(jìn)廠；主變洞平行布置于主廠房下游，與主廠房間距為55.00 m，主變洞開挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長(zhǎng)×寬×高)；輸水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)布置方式，共設(shè)置2條輸水主洞、4條輸水支洞和4條尾水隧洞。

廠房布置區(qū)巖層較復(fù)雜，地層結(jié)構(gòu)軟硬相間，廠房拱頂、巖錨吊車梁與邊墻、廠房底部及尾水管均位于軟巖層內(nèi)，施工過(guò)程中會(huì)遇到一系列的工程地質(zhì)問(wèn)題。其中，主廠房?jī)?nèi)主要交叉洞口處的巖體穩(wěn)定是主要的安全問(wèn)題[1- 2]。影響交叉洞口處圍巖穩(wěn)定因素較多，施工開挖順序?qū)ζ洚a(chǎn)生直接影響[3- 6]。因此，必須合理擬定開挖程序及開挖分層，保證地下廠房按期、優(yōu)質(zhì)完工[7- 9]。本文利用三維非線性有限單元法模擬了3種不同的開挖方案，分析在不同開挖方案下交叉洞口處圍巖的變形狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)及塑性區(qū)分布，為施工提供依據(jù)。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

根據(jù)主廠房位置及洞室布置型式、斷面尺寸，模擬地下廠房洞室群實(shí)際洞體結(jié)構(gòu)，包括對(duì)廠房區(qū)圍巖穩(wěn)定影響較大的6層軟巖(廠房拱頂上部、巖錨吊車梁與邊墻處、廠房底部與尾水管處)。軟巖與廠房位置見圖1。

圖1 地下洞室廠房與軟巖相對(duì)位置

計(jì)算范圍：廠房軸線方向取669 m，左側(cè)離主廠房左側(cè)墻體250 m，右側(cè)離主廠房右側(cè)墻體250 m；上游離主廠房上游墻250 m，下游離主變室下游墻200 m；垂直方向向下為主廠房底板以下200 m，向上為主廠房頂拱至地表。

坐標(biāo)系：主廠房軸線方向?yàn)閄軸，指向副廠房方向?yàn)檎?；垂直于主廠房軸線方向?yàn)閅軸，指向主變室方向?yàn)檎回Q直方向?yàn)閆軸，向上為正。原點(diǎn)取在1號(hào)機(jī)組中心，高程為451.9 m。計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為102 542個(gè)，單元數(shù)為594 312個(gè)。計(jì)算采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則。有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

2.2 材料參數(shù)

洞室III類圍巖約占75%；IV類圍巖約占20%，以泥質(zhì)粉砂巖為主；V類圍巖約占5%，為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。軟巖4和軟巖5取IV類圍巖，其他軟巖取IV～V類圍巖，高程594 m以上取ⅢA類圍巖，高程594 m以下巖體取ⅢB類圍巖。材料參數(shù)取值見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

地下洞室群的開挖分層見圖3。圖中，主廠房共分為8層(a～h層)開挖，主變室分為3層(①～③層)開挖，主變運(yùn)輸洞(YS)及母線洞(MX)全斷面一次開挖。通過(guò)工程類比及對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，本文模擬了3種典型開挖順序方案，地下洞室群分期開挖順序見表2。表中展示了每期開挖所包含的具體層數(shù)。

圖3 地下洞室群的開挖分層(高程：m)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為便于分析不同開挖方案對(duì)交叉洞口處的影響，選取了主廠房上下游墻交叉洞口處的若干關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)3種不同開挖順序下的圍巖變形、圍巖應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)進(jìn)行研究分析，從而優(yōu)選出最佳開挖方案。關(guān)鍵點(diǎn)位置見圖4。圖中，J1～J4表示4個(gè)進(jìn)水洞，JC表示進(jìn)場(chǎng)交通洞，M1～M4表示4個(gè)母線洞，W1～W4表示4個(gè)尾水洞。

表2 地下洞室群分期開挖順序

注：引水洞均是在主廠房第1層(a層)開挖完成后進(jìn)行開挖；尾水洞均是與主廠房第8層(h層)一起開挖。

圖4 主廠房剖面關(guān)鍵點(diǎn)位置示意

3.1 圍巖變形

圖5為主廠房上下游墻關(guān)鍵點(diǎn)在各方案下的位移(位移指向下游為正)。從圖5可知，對(duì)于上游墻的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)說(shuō)，方案1和方案2的位移值幾乎無(wú)差別，方案1略優(yōu)，方案3的位移值較大，其中個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)比方案1、2的相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)大近10 mm；對(duì)于下游墻來(lái)說(shuō)，3種方案的位移量值差別都不大。此外，所有關(guān)鍵點(diǎn)中，最大位移值在35 mm左右，出現(xiàn)在上游墻。針對(duì)圍巖變形量來(lái)考慮，方案1較好。

圖5 主廠房關(guān)鍵點(diǎn)位移

3.2 圍巖應(yīng)力

圖6、7分別為主廠房上下游墻關(guān)鍵點(diǎn)在3種方案下的主應(yīng)力(應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù))。不管是主拉應(yīng)力還是主壓應(yīng)力，方案1和方案2的差別均較小，但方案1略優(yōu)；方案3與另外2種方案差別較大，且相對(duì)來(lái)說(shuō)，其應(yīng)力值較不穩(wěn)定。因此，方案1略優(yōu)。

圖6 主廠房上游墻關(guān)鍵點(diǎn)主應(yīng)力

3.3 圍巖塑性區(qū)

圖8分別為3種工況下主廠房上下游墻洞周圍巖塑性區(qū)分布。從圖8可知，3種不同開挖方案開挖完成后，塑性區(qū)分布規(guī)律是基本相同的，均表現(xiàn)為在軟巖3、軟巖6與主廠房交匯區(qū)域出現(xiàn)成片塑性區(qū)，分布長(zhǎng)度(廠房軸線方向)與軟巖分布長(zhǎng)度基本一致；分布深度(垂直于廠房軸線方向)最大值位于引水洞附近，約9 m。對(duì)于主廠房上游墻來(lái)說(shuō)，方案3明顯較好，對(duì)于下游墻來(lái)說(shuō)，方案1的塑性區(qū)損傷較小。

圖7 廠房下游墻關(guān)鍵點(diǎn)主應(yīng)力

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用三維非線性有限元數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)軟巖條件下地下洞室群在3種不同開挖順序下的圍巖變形、圍巖應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)進(jìn)行研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)從圍巖變形量方面比較，方案1和方案2的位移值幾乎無(wú)差別，方案3的位移值相比較大，其中個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)比方案1、2的相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)大近10 mm。

(2)從圍巖應(yīng)力方面比較，3種開挖方案下關(guān)鍵點(diǎn)的主應(yīng)力值差別并不明顯，方案3雖然個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)的主應(yīng)力值是最優(yōu)的，但相對(duì)來(lái)說(shuō)不穩(wěn)定。綜合來(lái)說(shuō)，方案1對(duì)圍巖應(yīng)力擾動(dòng)略小。

(3)從圍巖塑性區(qū)分布比較，3種不同開挖方案下開挖完成后圍巖塑性區(qū)均在軟巖3和軟巖6與主廠房交匯區(qū)域有分布，且分布長(zhǎng)度與軟巖分布長(zhǎng)度基本一致。其中，對(duì)于主廠房上游墻來(lái)說(shuō)，方案3明顯較好，對(duì)于下游墻來(lái)說(shuō)，方案1的塑性區(qū)損傷較小。

綜合以上3個(gè)參考量值，建議采用方案1，即“先洞后墻”開挖方案有利于軟巖區(qū)洞室開挖。本文分析方法對(duì)廠房開挖施工及后續(xù)的支護(hù)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。