軟巖中豎井開挖的支護(hù)分析

李 輝

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在工程實(shí)踐中支護(hù)措施常見的選擇錨桿支護(hù)，通過錨桿和圍巖協(xié)同，盡量將圍巖形變、位移與裂縫的發(fā)育縮小[1-2]。地下洞體開挖改變巖體應(yīng)力分布情況，當(dāng)洞體無法承擔(dān)巖體載荷時(shí)，如果不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)加固，極易發(fā)生塌方事故。隨著西部大開發(fā)的逐漸深入，水利水電建設(shè)不斷開展，軟巖中豎井開挖工程逐漸增多。在工程前期及工程中做好支護(hù)工作，關(guān)系著工程質(zhì)量及安全。

新疆ATL水電站閘門豎井開挖工程位于布爾津河上游干流，是布爾津河規(guī)劃開發(fā)的第五個(gè)梯級(jí)電站。是一座以發(fā)電為主，兼有灌溉、供水效益的水利水電樞紐工程，也是新疆某地區(qū)目前投資規(guī)模、裝機(jī)容量最大的單體水電站。電站總裝機(jī)容量11萬kW，年有效發(fā)電量達(dá)3.91億kW·h，水庫總庫容為9400萬m3。探究不同支護(hù)方式選擇問題。通過依據(jù)彈塑性力學(xué)的支護(hù)原則與結(jié)構(gòu)力學(xué)支護(hù)原則，選擇各種支護(hù)方案。經(jīng)過計(jì)算分析等效塑性應(yīng)變、塑性區(qū)、形變與結(jié)構(gòu)應(yīng)力3個(gè)方面的指標(biāo)，獲得最佳的支護(hù)方案體系，保證施工質(zhì)量與安全。

1 計(jì)算推導(dǎo)分析

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則主要體現(xiàn)巖土材料受力時(shí)和球應(yīng)力、偏應(yīng)力等受力情況，多用于巖土工程界[3]。

設(shè)定 σ1＞σ2＞σ3，則 Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則計(jì)算主應(yīng)力公式見公式（1），最后整理后見公式（2）：

其中，黏聚力用C表示，內(nèi)摩擦角用φ表示，應(yīng)力張量第一不變量用I1表示，偏應(yīng)力張量第二不變量用J2表示，應(yīng)力Lode角用 θσ表示，第一、第二、第三主應(yīng)力依次利用 θ1、θ2、θ3表示。

2 案例分析

引水隧洞位于地形右側(cè)坡度變化很大的河谷處，上部坡度達(dá)到50°，甚至65°，左側(cè)坡度變化較小，呈現(xiàn)左低右高的V型?；诘匦蜗拗?，引水隧洞入口附近山體內(nèi)開挖閘門豎井。

2.1 計(jì)算推導(dǎo)與材料介紹

引水隧洞閘門井開外橫截面尺寸為8.6 m×10.2 m，豎直方向高程在2276.5 m～2394.6 m，其地質(zhì)條件為：風(fēng)化、卸荷地帶，巖體不夠完整，結(jié)構(gòu)松散，圍巖屬于V類，該工程的難點(diǎn)主要為閘門井圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)方式的確定。經(jīng)過地質(zhì)勘查，閘門井位置的巖體沒有地下水，僅考慮開挖穩(wěn)定性即可。

經(jīng)過綜合考慮，開挖時(shí)選擇噴錨進(jìn)行加固，鎖口梁利用間隔為0.5m×0.5m的5m的錨桿加固，門井附近選擇間隔0.8 m×0.8m的4.6 m與6.2 m的錨桿間隔方式進(jìn)行加固，并將18cm厚的C25混凝土層噴射在內(nèi)表面掛網(wǎng)?？紤]到門井上部分地質(zhì)條件差，所以計(jì)算時(shí)將上半部分襯砌設(shè)定為65 cm，下半部分維持25 cm厚度的計(jì)算條件。

計(jì)算分析分為6種情況：①無襯砌；②僅有錨桿支護(hù)；③僅有25 cm厚混凝土襯砌；④上半部分65 cm與25 cm厚混凝土襯砌；⑤25 cm厚混凝土襯砌與錨桿支護(hù)；⑥上半部分65 cm與下半部分25 cm厚混凝土襯砌配合錨桿支護(hù)。參考地質(zhì)研究文獻(xiàn)[4-6]，查的材料參數(shù)標(biāo)量整理成表1。依照地質(zhì)勘查情況，超過高程2349.56 m的部分圍巖結(jié)構(gòu)松散，不夠完整，計(jì)算分析時(shí)取定V類圍巖參數(shù)的低值；低于高程2349.56 m的部分圍巖計(jì)算分析時(shí)取定V類圍巖參數(shù)的高值。

荷載重點(diǎn)包含圍巖和結(jié)構(gòu)的重量。計(jì)算時(shí)第一步要模擬閘門井周圍圍巖的初始重力，第二步對(duì)其開挖和支護(hù)時(shí)的重力進(jìn)行模擬計(jì)算[7-9]。

表1 材料物理力學(xué)相關(guān)參數(shù)匯總表

2.2 計(jì)算模型搭建

基于閘門井附近的地質(zhì)情況，搭建三維立體有限元模型。設(shè)定引水隧洞水流方向是X軸正方向，豎直方向是Y軸正向。模型在X軸上長度范圍是66.5 m，Y軸上高程范圍是2276.5 m～2394.6 m；Z軸計(jì)算長度設(shè)定值是46.6 m。具體有限元模型實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 三維立體有限元模型實(shí)景圖

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

影響結(jié)構(gòu)安全的因素很多，要充分結(jié)合影響因素決定利用何種加固措施[10]。依據(jù)彈塑性力學(xué)的支護(hù)原則，錨桿務(wù)必透過塑性區(qū)來錨固在未產(chǎn)生塑性的基巖內(nèi)[11]。依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的原則[12]，結(jié)構(gòu)形變必須在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，并且結(jié)構(gòu)應(yīng)力不得超過規(guī)范值。就如上兩個(gè)原則分析各種支護(hù)方案時(shí)軟巖的塑性區(qū)、位移與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。

2.3.1 軟巖塑性區(qū)

采取各種支護(hù)方式時(shí)，豎井開挖后軟巖中塑性區(qū)具體分布依次如圖2～圖7所示。通過圖2～圖7可以得出：當(dāng)不采取支護(hù)措施時(shí)，塑性區(qū)影響深度高達(dá)22m，利用錨桿基本可以阻止塑性區(qū)的深層擴(kuò)展，等效塑性應(yīng)變最高值下降幅度可達(dá)約26%?；炷烈r砌能夠顯著降低塑性區(qū)范圍，65 cm厚襯砌與25 cm厚襯砌相比，其等效塑性應(yīng)變最高值降幅達(dá)35%。當(dāng)輔助錨桿后，塑性區(qū)的影響范圍變化不大，等效塑性應(yīng)變最高值下降幅度約35%。所以，混凝土襯砌支護(hù)顯著性影響著塑性區(qū)，而錨桿對(duì)其影響微弱，在工程實(shí)踐中前期塑性區(qū)臨時(shí)支護(hù)可選擇錨桿支護(hù)，后期安全控制必須選擇混凝土襯砌支護(hù)。

圖2 方案1塑性區(qū)分布情況

圖3 方案2塑性區(qū)分布情況

圖4 方案3塑性區(qū)分布情況

圖5 方案4塑性區(qū)分布情況

圖6 方案5塑性區(qū)分布情況

圖7 方案6塑性區(qū)分布情況

2.3.2 軟巖位移

采取各種支護(hù)方式時(shí)，豎井開挖后閘室豎井的水平位移最高值整理成表2。通過表2中數(shù)據(jù)可以看出方案2的水平位移低于方案1的水平位移27.5%～29.6%，方案3的水平位移低于方案1的水平位移44.5%～51.5%，方案4的水平位移低于方案1的水平位移56.8%～67.1%，方案5的水平位移低于方案1的水平位移52.6.5%～58.3%，方案6的水平位移低于方案1的水平位移60.8%～67.5%。所以，閘室豎井邊墻的水平位移都很小，表明混凝土襯砌可以有效阻止洞壁形變。

表2 豎井邊墻水平位移最高數(shù)值表

2.3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

采取各種支護(hù)方式時(shí)，豎井開挖后錨桿的應(yīng)力最高值整理成表3，襯砌混凝土應(yīng)力最高值整理成表4。分析其計(jì)算數(shù)據(jù)，不難看出，僅在錨桿支護(hù)下，錨桿應(yīng)力最大，并最高值出現(xiàn)在上半部分；選擇混凝土襯砌與錨桿支護(hù)與僅錨桿支護(hù)比較時(shí)，錨桿應(yīng)力下降36.2%；襯砌混凝土厚度由25 cm變成65 cm厚時(shí)，錨桿的應(yīng)力分布發(fā)生改變，最高值出現(xiàn)下半部分（下半部分襯砌厚度仍保持25 cm）。所以，選擇襯砌支護(hù)顯著影響著軟巖應(yīng)力分布情況。

表3 錨桿應(yīng)力最高數(shù)值表

表4 混凝土應(yīng)力最高數(shù)值表

襯砌上的拉應(yīng)力主要位于襯砌拐角外側(cè)，其應(yīng)力高值一般多分布在上半部分基巖較差區(qū)域。改變襯砌厚度可顯著改變應(yīng)力最高值，提升襯砌厚度可降低拉應(yīng)力最大值，其最大幅度達(dá)到約64%左右。增設(shè)錨桿支護(hù)僅降低襯砌混凝土拉應(yīng)力值11%。

3 結(jié)語

本文以位于軟巖地質(zhì)的新疆ATL水電站閘門豎井開挖工程為例，探究不同支護(hù)方式選擇問題。通過依據(jù)彈塑性力學(xué)的支護(hù)原則與結(jié)構(gòu)力學(xué)支護(hù)原則，選擇各種支護(hù)方案，經(jīng)過Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則計(jì)算分析得到如下結(jié)論：

（1）錨桿支護(hù)與混凝土襯砌支護(hù)相比，對(duì)軟巖塑性區(qū)發(fā)育阻止微弱，僅可做輔助性措施，混凝土襯砌支護(hù)作為主要支護(hù)措施。

（2）門井結(jié)構(gòu)三維效應(yīng)顯著，塑性應(yīng)變微弱，塑性區(qū)范圍大，軟巖形變小；混凝土襯砌對(duì)軟巖形變影響遠(yuǎn)大于錨桿作用。

（3）混凝土襯砌支護(hù)能夠改變軟巖應(yīng)力布局情況，進(jìn)而可改變錨桿應(yīng)力，襯砌厚度達(dá)到某數(shù)值后對(duì)錨桿應(yīng)力無影響。襯砌厚度與襯砌應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，錨桿基本不影響襯砌應(yīng)力數(shù)值與分布。

（4）對(duì)比錨桿支護(hù)，混凝土襯砌顯著影響著軟巖塑性區(qū)、軟巖形變與軟巖的應(yīng)力。所以軟巖地質(zhì)條件下豎井開挖時(shí)主要支護(hù)措施為混凝土襯砌支護(hù)，錨桿支護(hù)僅作為臨時(shí)輔助性措施。