丹巴水電站引水隧洞開(kāi)挖洞型洞距優(yōu)化及圍巖變形規(guī)律研究

劉 杰， 張羅送， 李洪亞， 孫 濤， 黎 照

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

引水隧洞是引水式水電站引水建筑物的重要組成部分，引水隧洞的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到水電站的運(yùn)行安全。但是國(guó)內(nèi)外針對(duì)斷面大、埋置深度深的引水隧洞的施工研究成果并不多，可以借鑒的工程實(shí)例和相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)更少。王小靜[1]以赫章河口水庫(kù)中的引水建筑物為例，在開(kāi)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)上，選定引水隧洞洞徑和優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)，能有效控制工程造價(jià)，確保水庫(kù)工程建設(shè)后可獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益；趙琨等[2]利用ABAQUS對(duì)隧洞埋深在200 m處的含水疏松砂巖地段的圍巖開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬研究；鄭紅等[3]針對(duì)軟巖隧洞馬蹄型斷面，采用有限元方法分析在不同開(kāi)挖方式下該斷面形式下隧洞的變形規(guī)律；陳銳等[4]對(duì)不同斷面形式引水隧洞進(jìn)行比較分析，得出采用平底馬蹄形斷面較為合適；胡帥等[5]探討了技施階段隧洞開(kāi)挖遇到與洞軸線小夾角的破碎帶時(shí)，在進(jìn)一步查明隧洞區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上對(duì)洞軸線進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的可行性。謝艷艷等[6]探討了關(guān)于引水隧洞的開(kāi)挖、支護(hù)等方面的施工技術(shù)改進(jìn)，能極大減少引水隧洞的整體建設(shè)成本；許韜等[7]在玉瓦水電站引進(jìn)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)TRT技術(shù)，能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)實(shí)際開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件，為施工方案調(diào)整、施工物質(zhì)的準(zhǔn)備等提供依據(jù)和技術(shù)支撐；陳建里[8]運(yùn)用經(jīng)濟(jì)計(jì)算及工程類比法，針對(duì)引水隧洞提出5種不同洞徑進(jìn)行對(duì)比研究，最后選用各方面均相對(duì)合適的斷面尺寸；黃華[9]對(duì)引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力與配筋等承載力、隧洞開(kāi)裂等正常使用極限狀態(tài)計(jì)算分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，引水隧洞襯砌圓形過(guò)水?dāng)嗝媾c洞挖馬蹄形斷面的結(jié)構(gòu)型式最優(yōu)；江權(quán)等[10]說(shuō)明引水隧洞群最小理論間距為50 m，進(jìn)而在類比與引水隧洞本身相鄰的輔助洞和國(guó)內(nèi)外幾個(gè)典型深埋隧洞的洞徑、埋深和間距的基礎(chǔ)上，確定深埋引水隧洞群的最小允許中心線間距為52 m。庹世華[11]提出將隧洞斷面優(yōu)化為馬蹄型斷面形式，這樣不僅增大施工操作空間，而且提高了施工整體效率，縮短工程的整體工期。李有華[12]基于蒙自市楊柳河引水工程引水隧洞長(zhǎng)、埋深大的特點(diǎn)，提出鋼筋混凝土無(wú)壓圓拱直墻式結(jié)構(gòu)的引水隧洞設(shè)計(jì)方法。但是目前現(xiàn)有研究只是具體分析隧洞洞型選擇與間距的合理性，而在大埋深的情況下，施工階段對(duì)掌子面周?chē)鷰r體變形破壞速率方面的研究成果較少。

引水隧洞的投入包括隧洞進(jìn)水口、洞身、調(diào)壓井等的造價(jià)以及工程建成后的工程管理運(yùn)行費(fèi)等，對(duì)整個(gè)水電站尤為重要，在電站的發(fā)電系統(tǒng)中占著重要的地位。隧洞的水頭損失占了電站總水頭損失的大部分，隧洞的造價(jià)在工程總投資中也占著重要份額，而隧洞的水頭損失和工程造價(jià)主要取決于隧洞的洞型、洞徑和洞距的選擇，在隧洞設(shè)計(jì)中，這些因素選擇不當(dāng)均會(huì)增大水電站建造的整體成本，因此在引水式水電站的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)引水隧洞的優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)、合理選擇開(kāi)挖洞距和開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形規(guī)律的研究分析都十分必要。

2 工程概況

丹巴水電站引水線路位于大渡河兩岸、麥爾多山西麓，以剝蝕中-高山地貌為主(見(jiàn)圖1)。引水發(fā)電系統(tǒng)以水卡子壩址上壩線左、右岸兩種布置方案進(jìn)行比選，引水隧洞均布置2條。其中左岸方案從水卡子壩址上壩線上游經(jīng)燕耳巖溝、德羅溝、根巴溝、日玻至廠址，引水系統(tǒng)全長(zhǎng)約17.26～17.29 km，采用尾部開(kāi)發(fā)方式，廠址位于丹巴縣城附近小金河河口，擬采用地面廠房；右岸方案從水卡子溝上游約700 m處進(jìn)洞，折向經(jīng)水卡子溝、呷拉溝、巴旺溝、干海子、甲居至廠房，引水系統(tǒng)全長(zhǎng)約16.29 km，也采用混合式尾部開(kāi)發(fā)，廠房位于丹巴縣城索斷橋附近的革什扎河河口，為地面廠房。左、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)條件各有優(yōu)劣，經(jīng)綜合分析，推薦左岸長(zhǎng)引水發(fā)電系統(tǒng)作為選定方案。

左岸谷肩臺(tái)面高程在2 300～3 200 m之間。其中2 800～3 000 m谷肩分布于上納頂(緩坡地貌)；2 600 m谷肩分布于瓦蘇、徳衣、二甲、力路溝、俄多；2 300～2 400 m谷肩分布于徳衣、二甲岸坡陡緩交界；2 300～2 400 m為寬谷期谷底，低于2 300 m稱之為峽谷。引水隧洞地面高程為2 200～3 000 m，臨河坡度為35°～60°，坡高1 000～1 800 m，按照實(shí)際設(shè)計(jì)位置，洞室在垂直方向上的埋深基本在500～900 m之間，最深處約有1 220 m[13]。

丹巴引水隧洞圍巖主要由變粒巖、角閃巖、二云英片巖、石英云母片巖等變質(zhì)巖組成[14]，其中引水隧洞段巖性以石英云母片巖為主，其表現(xiàn)出明顯的層狀巖體特性，如圖2所示。

圖1 引水線路區(qū)(部分)地形地貌圖 圖2 廣泛發(fā)育的石英云母片巖層內(nèi)剪切褶皺

3 計(jì)算方案和計(jì)算方法

根據(jù)工程的實(shí)際情況，分別有圓型、城門(mén)洞型、四心圓馬蹄型和平底馬蹄型4種形式的引水隧洞開(kāi)挖斷面可供選擇?；跈M觀各向同性及理想彈塑性模型，采用彈塑性有限差分大型巖土工程軟件FLAC3D，在考慮地應(yīng)力的開(kāi)挖工況下，對(duì)引水隧洞1 200 m埋深下的不同開(kāi)挖洞型(圓型、城門(mén)洞型、四心圓馬蹄形和平底馬蹄形)進(jìn)行計(jì)算，分析不同開(kāi)挖斷面下的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)狀態(tài)，綜合考慮各因素，對(duì)不同開(kāi)挖斷面進(jìn)行優(yōu)化比選，確定引水隧洞開(kāi)挖斷面形式；基于優(yōu)選斷面，通過(guò)數(shù)值分析，確定兩隧洞間開(kāi)挖的最小間距；最后，根據(jù)無(wú)支護(hù)情況下圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果，選定600、800、1 000、1 200 m埋深下模擬探洞實(shí)測(cè)情況，分析洞徑為16 m的圓型斷面圍巖變形破壞發(fā)育和發(fā)展隨開(kāi)挖過(guò)程的演化規(guī)律。

計(jì)算模型網(wǎng)格密度按長(zhǎng)度控制，模型尺寸為240 m×240 m×240 m，共13 958個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，81 356個(gè)單元。模型如圖3所示，計(jì)算參數(shù)如表1所示，計(jì)算工況均為開(kāi)挖工況。

4 引水隧洞開(kāi)挖洞型、洞間距的選取

4.1 開(kāi)挖洞型選擇

根據(jù)實(shí)際要求，開(kāi)挖襯砌后斷面基本尺寸為直徑16m，通過(guò)各開(kāi)挖工況的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布和塑性區(qū)分布圖綜合對(duì)比分析可得到最優(yōu)洞型，不同開(kāi)挖工況的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布圖如表2所示。

圖3 計(jì)算整體模型圖

表1 引水發(fā)電系統(tǒng)隧洞巖石(體)物理力學(xué)參數(shù)值

根據(jù)表2的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)圖得知，不同洞型對(duì)應(yīng)的位移正向最大值、壓應(yīng)力最大值以及塑性區(qū)的面積，如圖4、5、6所示：

圖4 各洞型的水平、豎直正向最大位移 圖5 各洞型的最大主應(yīng)力 圖6 各洞型的塑性區(qū)面積

最佳開(kāi)挖斷面型式的選擇可以從以下角度進(jìn)行分析：

(1)從不同開(kāi)挖洞型對(duì)模型整體位移的影響角度分析：圓型開(kāi)挖方式對(duì)應(yīng)模型的水平正向整體位移最小(56.5 mm)，四心圓馬蹄型和平底馬蹄型次之，城門(mén)洞型最大(67 mm)，可知選擇圓型開(kāi)挖斷面較好；同樣，對(duì)于豎直向正向位移而言，圓型開(kāi)挖方式對(duì)應(yīng)斷面的整體位移最小(47.2 mm)，四心圓馬蹄型和平底馬蹄型次之，城門(mén)洞型最大(69 mm)，可知選擇圓型開(kāi)挖斷面較好。

(2)從應(yīng)力的角度分析：4種開(kāi)挖斷面均不存在拉應(yīng)力，且各斷面之間的第一主應(yīng)力相差較小，約為11.8 MPa，第三主應(yīng)力也相差不大，約為38 MPa，說(shuō)明斷面開(kāi)挖形式對(duì)巖體周?chē)鷳?yīng)力情況基本無(wú)影響。

(3)從塑性區(qū)面積的角度分析：4種開(kāi)挖洞型呈指數(shù)增長(zhǎng)的變化規(guī)律(如圖6)，且塑性區(qū)主要分布在開(kāi)挖洞型的右上方和左下方位置(如表2)。圓型的塑性區(qū)面積最小(188.3 m2)，四心馬蹄形和平底馬蹄型次之，城門(mén)洞型最大(336.6 m2)，可知選擇圓型較好。

綜合以上3點(diǎn)分析可得出，圓型洞型為最佳開(kāi)挖洞型。

表2不同開(kāi)挖工況下位移、應(yīng)力、塑性區(qū)分布

4.2 開(kāi)挖洞距合理性分析

從應(yīng)力、位移和塑性區(qū)方面分析引水隧洞圓型斷面中心間距的合理性。

4.2.1 分析方案 采用數(shù)值計(jì)算方法，在隧洞中心線間距為30～70 m之間分析不同間距下圍巖前期變形和最終變形量和塑性區(qū)、洞間塑性區(qū)連通與否以及隧洞中間應(yīng)力分布變化3方面標(biāo)準(zhǔn)，綜合判定最不利的條件下，隧洞群不發(fā)生整體失穩(wěn)破壞的隧洞最小允許安全中心線間距，其總體分析流程如圖7所示。

依據(jù)上述分析流程，取隧洞中心線間距L為30～70 m之間(間距可取為30、40、45、50、60和70 m)，建立數(shù)值計(jì)算模型(平面模型)，記錄1#引水隧洞4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的前期變形dP和最終變形dL。計(jì)算模型中變形測(cè)點(diǎn)位置示意如圖8所示。所采用的實(shí)測(cè)情況下反演地應(yīng)力分量。

圖7 引水隧洞最小允許安全中心線間距分析流程

圖8 計(jì)算模型中變形測(cè)點(diǎn)位置示意圖

計(jì)算結(jié)果分析從以下3方面進(jìn)行：隧洞中間應(yīng)力分布變化情況、塑性區(qū)特征、變形突變分析(通過(guò)洞壁圍巖最終變形量dL與隧洞中心線間距L關(guān)系曲線的突變點(diǎn)，具體研究隧洞最小允許間距[10])。

隧洞間距L在30～70 m之間的開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)力分布圖和塑性區(qū)圖如表3所示。

4.2.2 不同隧洞間距條件下應(yīng)力分布分析 根據(jù)表3中的應(yīng)力圖得知，圓形隧洞不同開(kāi)挖間距對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大，如圖9所示。

由表3中應(yīng)力等值分布圖和圖9分析可知：隨著洞距的增大，對(duì)兩個(gè)隧洞之間的應(yīng)力干擾不強(qiáng)。但是根據(jù)計(jì)算云圖得知，隧洞開(kāi)挖間距在45 m的時(shí)候，相鄰兩洞之間的應(yīng)力干擾相對(duì)較小。因此根據(jù)相鄰兩洞之間的應(yīng)力狀態(tài)可知45 m為相對(duì)穩(wěn)定的安全距離。

4.2.3 不同隧洞間距條件下塑性區(qū)特征分析 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)隧洞中心線之間的距離減小時(shí)，其隧洞周?chē)鷳?yīng)力狀態(tài)會(huì)隨之劣化，塑性區(qū)的面積也會(huì)相應(yīng)增大；當(dāng)隧洞間距減小至一定程度時(shí)，隧洞圍巖的塑性區(qū)呈現(xiàn)貫通狀態(tài)，此時(shí)說(shuō)明隧洞群整體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。因此，可通過(guò)隨著隧洞中心線間距減小，其圍巖塑性區(qū)面積隨之變化的過(guò)程以及塑性區(qū)面積的發(fā)展趨勢(shì)和貫通與否，進(jìn)而判定隧洞最小允許間距[10，15]。

根據(jù)表3的塑性區(qū)圖可知，圓形隧洞不同開(kāi)挖間距下的塑性區(qū)的面積及特點(diǎn)，變化過(guò)程圖如圖10所示。

表3圓形洞型不同開(kāi)挖間距下應(yīng)力、塑性區(qū)的變化

由圖10可知：

(1)當(dāng)引水隧洞中心線間距從30 m變化到40 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)面積較大且開(kāi)挖隧洞之間的塑性區(qū)貫通，說(shuō)明隧洞開(kāi)挖間距在30～40 m時(shí)，圍巖體易發(fā)生破壞。

(2)當(dāng)隧洞中心線間距從45 m增加到70 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)減小趨勢(shì)很明顯且開(kāi)挖隧洞之間的塑性區(qū)沒(méi)有貫通。表明當(dāng)間距較大時(shí)，洞間巖墻足夠厚而隧洞間相互影響作用幾乎消失，從而隧洞塑性區(qū)分布表現(xiàn)為單洞特點(diǎn)。

因此，從隧洞圍巖塑性區(qū)面積大小及是否貫通標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，認(rèn)為引水隧洞允許的最小安全間距為45 m。

4.2.4 不同間距條件下變形突變分析 一般意義上講，地下結(jié)構(gòu)工程出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞呈現(xiàn)為與隧洞圍巖內(nèi)部某種相應(yīng)性質(zhì)改變或消失所對(duì)應(yīng)的力學(xué)狀態(tài)，其表現(xiàn)形式是洞壁圍巖某一特征曲線由線性等速變化階段向非線性的加速變化階段發(fā)展[9、15-16]。當(dāng)隧洞中心線之間的距離減小時(shí)，隧洞間巖墻的厚度會(huì)隨之減小，相應(yīng)的其內(nèi)部力學(xué)組成趨于不利狀態(tài)；當(dāng)隧洞間距減小到一定程度時(shí)，作為支撐系統(tǒng)的洞間巖墻將整體失穩(wěn)，則洞壁變形將由等速變形向加速變形過(guò)度而發(fā)生變形突變。因而，可利用dL-L關(guān)系曲線的突變點(diǎn)，具體研究隧洞最小允許間距。

圖9 不同開(kāi)挖間距下主應(yīng)力變化圖 圖10 不同開(kāi)挖間距下塑性區(qū)面積及特點(diǎn)變化圖

圖11 圓形斷面1#隧洞洞壁D點(diǎn)變形隨隧洞中心線間距變化曲線(理想彈塑性模型)

由圖11可知：

(1)當(dāng)隧洞中心線間距從70 m逐漸減小到40 m時(shí)，洞壁各點(diǎn)X向位移穩(wěn)步小幅增加；當(dāng)中心線間距進(jìn)一步從40 m減小到30 m時(shí)，圍巖洞壁各觀測(cè)點(diǎn)都發(fā)生了較大的變形突變，變形增幅很大，見(jiàn)圖11(a)。

(2)根據(jù)Y向位移圖11(b)統(tǒng)計(jì)可知,隧洞中心線間距從70 m逐漸減小到45 m時(shí)，洞壁各點(diǎn)Y向位移穩(wěn)步小幅增加；當(dāng)中心線間距進(jìn)一步從45m減小到30m時(shí)，圍巖洞壁各觀測(cè)點(diǎn)都發(fā)生了較大的變形突變，變形幅度大增。

(3)依據(jù)位移曲線，曲線的拐點(diǎn)分布在隧洞中心線間距約45 m，表明當(dāng)隧洞中心線間距小于45 m時(shí)，隧洞圍巖的整體穩(wěn)定性將發(fā)生質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

因此，從隧洞圍巖變形與隧洞中心線間距的關(guān)系曲線分析來(lái)看，可認(rèn)為控制隧洞整體穩(wěn)定性的最小允許安全中心線間距為45 m。

4.2.5 間距合理性分析 在所給定的計(jì)算參數(shù)與實(shí)際地應(yīng)力條件下，對(duì)應(yīng)力等值分布圖、塑性區(qū)貫通與否及圍巖變形等方面進(jìn)行綜合分析可知：

(1)從應(yīng)力等值線分布圖和應(yīng)力計(jì)算云圖可知，隧洞開(kāi)挖間距為45 m時(shí)，相鄰兩洞之間的應(yīng)力干擾相對(duì)較小。

(2)以隧洞圍巖塑性區(qū)面積大小及是否貫通為判別標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為引水隧洞最小允許安全間距為45 m，洞間距在45～70 m之間持續(xù)增大時(shí)，可進(jìn)一步減少塑性區(qū)面積。

(3)以隧洞圍巖變形是否突變?yōu)榕袆e標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為控制隧洞整體穩(wěn)定性的最小允許安全中心線間距為45 m。

基于上述研究結(jié)果綜合確定：隧洞開(kāi)挖間距45 m是極限的允許安全間距。因此在后期進(jìn)行洞間距選取時(shí)，盡可能在條件允許的情況下選擇大的間距，可基本保證隧洞不會(huì)因鄰洞局部失穩(wěn)而導(dǎo)致隧洞群整體失穩(wěn)破壞。

5 模擬探洞實(shí)測(cè)情況下圍巖變形破壞隨開(kāi)挖過(guò)程的演化規(guī)律

5.1 計(jì)算條件

隧洞施工過(guò)程中，最受關(guān)注的是上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中圍巖宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象，故針對(duì)本工程實(shí)際情況，可選定600、800、1 000和1 200 m埋深下模擬探洞實(shí)測(cè)情況，分析洞徑為16 m圓型斷面圍巖變形破壞發(fā)育和發(fā)展隨開(kāi)挖過(guò)程的演化規(guī)律。計(jì)算采用橫觀各向同性應(yīng)變軟化模型(如圖3)，模型參數(shù)計(jì)算值如表1。

考慮到隧洞開(kāi)挖面在三維空間約束狀態(tài)下的方向性效應(yīng)，故采用隧洞拱頂?shù)闹悬c(diǎn)(A)和側(cè)邊墻中點(diǎn)(B、C)3個(gè)典型位置(如圖8所示)的洞壁徑向位移釋放系數(shù)來(lái)反映[17]，即：

開(kāi)挖布距為8 m，開(kāi)挖過(guò)程分為上半部分掌子面推進(jìn)至8倍布距(即掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面64 m)，再轉(zhuǎn)為隧洞下半部分開(kāi)挖，直至與上半部分掌子面平齊為止，以此來(lái)分析圍巖變形破壞演化規(guī)律。篇幅所限，僅給出最大埋深1 200 m下圍巖變形破壞隨開(kāi)挖過(guò)程的演化規(guī)律。

5.2 1 200 m埋深下隧洞圍巖變形隨開(kāi)挖過(guò)程的演化規(guī)律

1 200 m埋深下監(jiān)測(cè)斷面各關(guān)鍵點(diǎn)(圖8中的A、B、C點(diǎn))的位移隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律如圖12所示，相應(yīng)的各關(guān)鍵點(diǎn)的位移釋放率隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律如圖13所示，位移釋放率是指在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中所產(chǎn)生的位移與隧洞形成后最終收斂位移的比值。

圖12 監(jiān)測(cè)斷面各關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化規(guī)律 圖13 監(jiān)測(cè)斷面各關(guān)鍵點(diǎn)的位移釋放率變化規(guī)律

從圖12、13可以得出：

4）缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。各投資主體建設(shè)的管道自成一體，在壓力等級(jí)、管徑大小、計(jì)量方式等方面各有不同，接入條件透明度不夠，增加相互間銜接難度。

(1)在實(shí)測(cè)情況下，當(dāng)掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面向里面推進(jìn)開(kāi)挖時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面上頂部關(guān)鍵點(diǎn)變形值為78.81 mm左右，兩側(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)變形在27～36 mm，頂部關(guān)鍵點(diǎn)的位移釋放率達(dá)到了61.4%，兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位移釋放率分別為41%和31%，因此可認(rèn)為距離監(jiān)測(cè)斷面0.5倍洞徑遠(yuǎn)(向內(nèi)開(kāi)挖8 m)的位置時(shí)，圍巖開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的圍巖位移變形為主要變形開(kāi)挖階段，為后期開(kāi)挖防護(hù)主要針對(duì)的開(kāi)挖范圍。

(2)當(dāng)開(kāi)挖掌子面開(kāi)挖到第4步(即開(kāi)挖深度為32 m)時(shí)，圍巖頂部位移的變形已經(jīng)基本完成，其關(guān)鍵點(diǎn)的位移釋放率約為70%，但是，圍巖兩側(cè)的位移變形釋放率僅僅達(dá)到34.86%和47.34%，可認(rèn)為掌子面采用以半洞開(kāi)挖方式向內(nèi)推進(jìn)時(shí)，兩側(cè)變形相對(duì)較小。

(3)當(dāng)開(kāi)挖第9步(即開(kāi)始對(duì)隧洞的下半部分進(jìn)行開(kāi)挖并推進(jìn)8 m時(shí))，圍巖開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面位移的變形影響都有突變，并且主要發(fā)生在兩側(cè)。此次開(kāi)挖使得兩側(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)位移變形量釋放率增加了45%左右。

(4)監(jiān)測(cè)斷面各關(guān)鍵點(diǎn)隨著掌子面推進(jìn)位移釋放率的變化有如下特點(diǎn)：

上部掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面向內(nèi)1.5倍洞徑前(即掌子面位于24～32 m)，位移釋放率的變化較明顯，圍巖頂部位移釋放率為61.4%，兩側(cè)位移釋放率分別為31%和41%，圍巖的位移釋放比較劇烈；上部掌子面位于32～64 m時(shí)，位移釋放率變化較緩。監(jiān)測(cè)斷面圍巖頂部位移變形已經(jīng)釋放了70%～80%的位移，兩側(cè)位移釋放了40%左右位移；下部掌子面開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移都發(fā)生突變，變形位移釋放率增大幅度顯著。當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面2倍洞徑的距離后，圍巖位移釋放率達(dá)到98%左右，可認(rèn)為圍巖非長(zhǎng)期流變位移基本完成。

5.3 1 200 m埋深下隧洞圍巖塑性區(qū)隨開(kāi)挖過(guò)程的演化規(guī)律

選擇監(jiān)測(cè)斷面圍巖塑性區(qū)深度隨開(kāi)挖過(guò)程的變化規(guī)律進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)1 200 m埋深條件下，開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)變化圖如表4所示，監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)面積(可標(biāo)記為S，隧洞開(kāi)挖范圍內(nèi)不計(jì)入)隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律如圖14、15所示(圖中S/S16為監(jiān)測(cè)斷面處塑性區(qū)范圍的截面面積S與開(kāi)挖完成時(shí)監(jiān)測(cè)斷面處塑性區(qū)范圍的截面面積S16的比值)。

從圖14、15可以得出：隨著掌子面的推進(jìn)，監(jiān)測(cè)斷面處塑性區(qū)范圍不斷變化，可分為以下3個(gè)階段：

(1)當(dāng)上部掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面向內(nèi)推進(jìn)8 m時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)的面積在225 m2左右，S/S16達(dá)到了63%，因此可認(rèn)為距離監(jiān)測(cè)斷面1倍洞徑遠(yuǎn)(向內(nèi)開(kāi)挖16 m)的位置時(shí)，圍巖開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)的影響較為明顯。

表4 開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)變化圖

圖14 開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)面積變化圖 圖15 計(jì)算所得監(jiān)測(cè)斷面S/S16隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律

(2)上部掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)的過(guò)程中，圍巖開(kāi)挖后，監(jiān)測(cè)斷面處塑性區(qū)面積變化較小，S/S16變化范圍為75.75%～82.48%，可認(rèn)為掌子面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面1倍洞徑后，圍巖開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面處塑性區(qū)范圍的影響很小。

(3)下部掌子面開(kāi)始開(kāi)挖到2倍洞徑時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面塑形區(qū)面積發(fā)生明顯變化，S/S16的變化范圍為82.48%～95.23%；當(dāng)下部掌子面開(kāi)挖至2倍洞徑后，監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)的面積為350.19 m2，S/S16達(dá)到了98.02%；可以認(rèn)為掌子面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面的2倍洞徑后，圍巖開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面處塑性區(qū)的影響很小。

6 結(jié) 論

(1)在引水隧洞開(kāi)挖斷面的洞型選擇中，通過(guò)對(duì)圓型開(kāi)挖斷面、城門(mén)洞型、四心圓馬蹄形和平底馬蹄形開(kāi)挖斷面的開(kāi)挖工況下的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布和塑性區(qū)分布圖進(jìn)行綜合對(duì)比分析，并從穩(wěn)定性角度考慮，確定圓型開(kāi)挖斷面為最優(yōu)開(kāi)挖斷面。

(2)隧洞不同開(kāi)挖間距對(duì)比分析可知：45 m是極限的允許安全間距，同時(shí)，洞距在45～70 m持續(xù)增大時(shí)，可有效減少塑性區(qū)面積，因此在隧洞洞距設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能在條件允許的情況下選擇大的間距，以保證隧洞不會(huì)因鄰洞局部失穩(wěn)而導(dǎo)致隧洞群整體失穩(wěn)破壞。

(3)在模擬探洞實(shí)測(cè)地應(yīng)力情況下，一般隨著埋深增加，圍巖開(kāi)挖的最終變形量也呈增加趨勢(shì)，而且開(kāi)挖初期，隧洞圍巖變形速率大，收斂速率緩慢，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

(4)基于洞徑為16 m的圓型開(kāi)挖斷面，上部掌子面開(kāi)挖初期(1倍洞距)，隧洞頂端的位移釋放率達(dá)到60%以上，側(cè)部的位移釋放率基本在35%左右，即掌子面穿過(guò)監(jiān)測(cè)斷面前后距離在0.5倍的洞徑范圍內(nèi)，其變形量達(dá)到總體變形位移的50%左右。后期隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，位移變形持續(xù)增加，最終收斂緩慢。

(5)下半部分開(kāi)挖開(kāi)始時(shí)，頂端位移與側(cè)部位移都發(fā)生較大突變。側(cè)部位移變形在沒(méi)有下部分圍巖支撐的情況下得到釋放，位移釋放率達(dá)到75%左右。因此在上、下半部分開(kāi)挖掌子面推進(jìn)至1倍洞距時(shí)變形速率較大，是開(kāi)挖重點(diǎn)防護(hù)的開(kāi)挖階段，可供后期施工及其他相應(yīng)工程參考。