基于開挖卸荷效應(yīng)的地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析

蔡健 劉霞

摘要：在地下洞室實(shí)際施工過程中，圍巖處于復(fù)雜的應(yīng)力路徑中。基于開挖卸荷理論，以某抽水蓄能電站地下進(jìn)廠交通洞為研究對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與三維有限元數(shù)值模擬，對(duì)洞室位移應(yīng)力的分布規(guī)律及整體穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。分析表明，考慮開挖卸荷效應(yīng)洞室圍巖變形能較好地反映圍巖的穩(wěn)定性。室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法對(duì)類似工程具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：圍巖穩(wěn)定性;開挖卸荷效應(yīng);三維有限差分法;地下洞室;抽水蓄能電站

中圖法分類號(hào)：TU45文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2019）01-0027-05

1 研究背景

卸荷巖體力學(xué)問題是高陡邊坡、地下洞室、路（壩）基等工程建設(shè)中不可避免的重大問題之一。20世紀(jì)90年代，針對(duì)工程巖體中出現(xiàn)的較多常規(guī)巖石力學(xué)理論無法較好解釋的工程問題，如金川邊坡、鏈子崖邊坡的大變形等，李建林等[1]以三峽永久船閘高邊坡為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地提出了卸荷巖體力學(xué)的概念。在其后的研究過程中，巖體卸荷力學(xué)特性越來越受到重視，針對(duì)一些重要的工程巖體問題開展了諸多研究，如三峽工程船閘高邊坡及地下廠房、拉西瓦水電站及錦屏水電站等高地應(yīng)力區(qū)高邊坡和深埋地下廠房或引水隧洞等工程開挖卸荷穩(wěn)定性問題[2-7]。

基于計(jì)算機(jī)性能的提高，數(shù)值仿真分析方法迅速發(fā)展，并在巖土工程的設(shè)計(jì)和研究中得到廣泛應(yīng)用。三維快速拉格朗日分析（FLAC3D）采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程，同時(shí)應(yīng)用混合單元離散模型，對(duì)于模擬材料的塑性流動(dòng)、彈塑性分析、大變形分析及模擬施工過程等有其獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)許多學(xué)者采用軟件對(duì)地下廠房洞室群開挖、支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。張練等[8]模擬了水布埡地下廠房施工開挖的不同方案，對(duì)比研究了軟巖置換和噴錨支護(hù)措施對(duì)圍巖穩(wěn)定性的改善作用。朱維申等[9]對(duì)小浪底水利樞紐地下工程的支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過不同的支護(hù)方案對(duì)比，分析了錨索、錨桿以及混凝土襯砌對(duì)圍巖變形和穩(wěn)定的影響。

雖然地下洞室圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但考慮開挖效應(yīng)的地下洞室穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的實(shí)例不多，有必要進(jìn)行相關(guān)研究?；诖耍疚慕Y(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)某抽水蓄能電站的進(jìn)廠交通洞，采用三維有限元法，分析開挖后洞室圍巖的應(yīng)力場、位移場，評(píng)價(jià)洞室開挖后洞室圍巖的整體穩(wěn)定性，相關(guān)成果可為類似工程提供設(shè)計(jì)參考。

2 三軸加卸載蠕變?cè)囼?yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)所使用的儀器主要有巖石切割機(jī)、電子天平、數(shù)顯游標(biāo)卡尺、PCI-2聲發(fā)射檢測儀以及RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的三軸流變?cè)囼?yàn)部分基于TOP INDUSTRIE自適應(yīng)自動(dòng)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備是一套多功能的精密儀器設(shè)備，可用于巖石和混凝土等材料的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2.2 室內(nèi)三軸卸圍壓流變?cè)囼?yàn)曲線

三軸卸荷流變?cè)囼?yàn)采用定軸壓逐級(jí)卸圍壓的流變?cè)囼?yàn)方案。該試驗(yàn)在圍壓為55 MPa時(shí)進(jìn)行，花崗巖試樣在逐級(jí)加卸載下的軸向蠕變曲線、側(cè)線蠕變曲線及應(yīng)力時(shí)程變化曲線特征如下：明顯不同的是，除第一級(jí)荷載外，在其余各級(jí)荷載作用下蠕變曲線均呈現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變的特征，且與常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)相比，卸圍壓蠕變?cè)囼?yàn)的蠕變變形顯著增加。

（1）在常規(guī)三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)中，花崗巖的蠕變變形不大，瞬時(shí)變形占總變形量的90%以上。但在同等圍壓條件下，隨著應(yīng)力水平的提高，軸向蠕變變形呈增加趨勢。

（2）在低應(yīng)力水平作用下，花崗巖只呈現(xiàn)衰減蠕變特征;在較高應(yīng)力水平作用下，會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變速率開始時(shí)最大，然后逐漸減小，最后減至一定值時(shí)以恒定速率發(fā)展;只有在接近長期強(qiáng)度的高水平應(yīng)力作用下，花崗巖才會(huì)呈現(xiàn)出加速流變特征，并且加速階段的蠕變速率可用冪率型的函數(shù)形式來描述。

（3）在卸圍壓狀態(tài)下，圍壓的降低不僅會(huì)顯著提高蠕變變形量，而且會(huì)改變花崗巖的蠕變變形形態(tài)：在卸圍壓蠕變過程中，瞬時(shí)變形只占總變形量的60%～70%，比重明顯降低，且均可觀測到明顯的穩(wěn)態(tài)蠕變過程。卸圍壓流變具有明顯的類似軟巖流變的特點(diǎn)。

（4）卸圍壓狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著與初始圍壓差值的增大而顯著提高。

（5）在三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)上獲得的三軸流變?cè)囼?yàn)曲線，為巖石粘彈塑性流變模型的建立和辨識(shí)提供了可靠的試驗(yàn)資料。

3 三維有限差分法計(jì)算理論

3.1 工程概況及計(jì)算模型

3.1.1 工程概況

某工程位于皖南山區(qū)?，F(xiàn)有公路X086縣道從工程區(qū)穿過，沿著X086縣道可直達(dá)績溪縣城，距縣城里程29 km，距黃山市公路里程88 km。電站樞紐主要由上庫、下庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成。裝機(jī)容量1 800 MW，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的可逆式抽水蓄能機(jī)組，電站建成后主要服務(wù)于華東電網(wǎng)。進(jìn)廠交通洞是地下廠房主要運(yùn)輸交通通道，也是廠房的進(jìn)風(fēng)通道，施工期作為廠房中部開挖的施工通道。進(jìn)廠交通洞洞口布置在下水庫庫岸公路旁，從安裝場端部進(jìn)入廠房，長約1 679.58 ?m，城門洞型，斷面凈尺寸為7.8 m×7.8 m（寬×高）。洞口高程 350.35 m，安裝場高程248.20 m，交通洞平均坡度 6.08%。

下庫庫區(qū)出露地層為元古界震旦系下統(tǒng)休寧組（Z1x）中段碎屑巖以及燕山晚期侵入的花崗巖（γ53（3）），第四系覆蓋層零星發(fā)育，以崩、坡積為主，主要分布于沖溝、坡腳和地勢寬緩地帶。

3.1.2 計(jì)算模型

根據(jù)進(jìn)廠交通洞入口段地下洞室布置及運(yùn)行的特點(diǎn)，對(duì)該范圍地下洞室群圍巖穩(wěn)定進(jìn)行整體三維數(shù)值仿真計(jì)算。計(jì)算域范圍：沿洞軸線方向長405.1 m，垂直洞軸線方向?qū)?37.7 m，平面布置圖粗線范圍內(nèi)。

巖石物理性質(zhì)采用室內(nèi)試驗(yàn)與工程類比法相結(jié)合得出的參數(shù)見表1～2。

主要考慮以下計(jì)算工況。

（1）考慮卸荷效應(yīng)開挖工況。按常規(guī)彈塑性有限元計(jì)算洞室開挖后未加固工況?？紤]到邊坡的實(shí)際開挖情況及卸荷效應(yīng)，采用分段開挖，計(jì)算中模擬了邊坡的開挖情況。本工況采用初始力學(xué)參數(shù)計(jì)算，目的是了解最終開挖完成時(shí)洞室?guī)r體應(yīng)力場和洞室變形的情況。同時(shí)考慮巖體蠕變情況，計(jì)算50 a內(nèi)的洞室變形。

（2）未考慮卸荷效應(yīng)開挖工況。通過對(duì)比增加卸荷區(qū)前后的位移、塑性區(qū)變化，分析卸荷作用對(duì)洞室開挖的影響。

3.1.3 邊坡卸荷巖體力學(xué)參數(shù)

邊坡開挖后，初始應(yīng)力場發(fā)生了變化，巖體質(zhì)量劣化，節(jié)理連通率增加，巖體受到損傷，抗拉強(qiáng)度降低，卸荷巖體力學(xué)參數(shù)發(fā)生了較大變化。

根據(jù)卸荷巖體力學(xué)原理與方法，開挖卸荷工況邊坡卸荷巖體的變形模量應(yīng)適當(dāng)降低，參照《卸荷巖體力學(xué)原理與應(yīng)用》[10]，其降低百分比見表3。

具體計(jì)算時(shí)，以初始應(yīng)力場與開挖完成后的應(yīng)力場進(jìn)行比較計(jì)算，得到各巖體的卸荷百分比，再根據(jù)初始力學(xué)參數(shù)值得到卸荷后各區(qū)域卸荷巖體的力學(xué)參數(shù)值。

3.2 三維有限差分法各工況計(jì)算

3.2.1 考慮卸荷效應(yīng)開挖工況

開挖洞室穿過斷層，主要分布在弱風(fēng)化上和弱風(fēng)化下區(qū)域。共分為7段開挖。每段洞室外層設(shè)5 m和10 m兩個(gè)卸荷區(qū)。其中1，2段未有塑性區(qū)，其余各段開挖塑性區(qū)對(duì)比。

洞室開挖結(jié)束后，由于應(yīng)力釋放，圍巖產(chǎn)生指向洞室內(nèi)部的回彈變形。頂拱及底板以豎向位移為主，邊墻以水平位移為主。水平位移最大值達(dá)到2.57 mm，發(fā)生于斷層側(cè)墻的中等高度附近。底板最大回彈量為50 mm。隨著洞室的開挖，巖體中的塑性區(qū)逐漸加大，主要位于軟弱斷層處，因此斷層開挖在施工時(shí)應(yīng)引起足夠的注意，及時(shí)采取支護(hù)措施。由于花崗巖質(zhì)地堅(jiān)硬，施工前已經(jīng)挖除洞口全風(fēng)化帶，因此洞口處未出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)。

3.2.2 未考慮卸荷效應(yīng)開挖工況

開挖洞室穿過斷層，主要分布在弱風(fēng)化上和弱風(fēng)化下區(qū)域。共分為7段開挖。此次計(jì)算不考慮卸荷作用的情況，以便與上節(jié)考慮卸荷作用的開挖進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測點(diǎn)的位移及塑性區(qū)分布。

根據(jù)卸荷巖體力學(xué)理論，洞室開挖過程為應(yīng)力釋放過程，也就是卸荷過程。洞室位移場、塑性區(qū)變化明顯有別于加載巖石力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果。在不考慮卸荷作用的情況下，洞室最大位移發(fā)生在斷層洞頂處，達(dá) 7.21 mm。塑性區(qū)位于斷層處。與考慮卸荷工況相比，不考慮卸荷作用情況下水平最大位移減少了0.32 mm，減少了 4.25%。塑性區(qū)分布區(qū)域減小。

4 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬對(duì)某抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞進(jìn)行穩(wěn)定性分析，較系統(tǒng)地研究了考慮卸荷工況與不考慮卸荷工況下護(hù)洞室圍巖的變形及塑性區(qū)，驗(yàn)證了卸荷效應(yīng)理論對(duì)于地下洞室圍巖穩(wěn)定性研究的可靠性，主要結(jié)論如下。

（1）在不考慮卸荷作用的情況下，洞室最大位移發(fā)生在斷層洞頂處達(dá)到 7.21 mm，塑性區(qū)位于斷層處。而考慮卸荷效應(yīng)情況下，底板最大位移為50 mm，水平位移最大值達(dá)到 2.57 mm，發(fā)生于斷層側(cè)墻的中等高度附近，與不考慮卸荷作用情況下水平最大位移減少 0.32 mm，減少 4.25%，塑性區(qū)分布區(qū)域減小。因此在地下洞室開挖過程中有必要考慮圍巖卸荷效應(yīng)。

（2）本文主要針對(duì)的是硬巖（花崗巖）的室內(nèi)試驗(yàn)，后面將進(jìn)一步研究不同巖性巖體的卸荷流變?cè)囼?yàn)，并且基于試驗(yàn)結(jié)果建立不同巖性巖體卸荷流變本構(gòu)模型，用于數(shù)值模擬中。在模型的建立上，受限于計(jì)算的效率，網(wǎng)格的劃分較為粗略。所用本構(gòu)模型是基于有限元自帶模型，今后將立足于自建模型對(duì)有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使數(shù)值模擬結(jié)果更符合工程實(shí)際。

（3）結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法能較好地對(duì)地下洞室的安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，相關(guān)研究思路可為后續(xù)類似工程提供一定的參考價(jià)值。

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