控制性斷層對(duì)洞室群圍巖穩(wěn)定及襯砌破壞形態(tài)的影響

李 海 輪，李 剛，李 奇，王 川，冷 先 倫

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024； 2.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870； 3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

賦存于大型地下洞室群區(qū)域的斷層是圍巖開挖穩(wěn)定性的主要影響與控制因素之一[1-3]。為研究這些控制性斷層對(duì)圍巖穩(wěn)定的作用機(jī)理，諸多學(xué)者從理論、試驗(yàn)、工程應(yīng)用等多方面開展了系統(tǒng)全面的研究，取得了豐富的研究成果[4-7]。在理論分析方面：肖明等[8]考慮了大型地下洞室中復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，提出了隱含斷層單元的數(shù)值模擬計(jì)算方法，可縮短隱含斷層網(wǎng)絡(luò)的地下洞室穩(wěn)定性分析周期；向天兵等[9]總結(jié)歸納了地下洞室圍巖分析方法、破壞模式和控制措施等方面研究成果，認(rèn)為由于斷層出露位置巖體強(qiáng)度較低、結(jié)構(gòu)松散，洞室開挖至斷層處無法自穩(wěn)，在重力作用下容易發(fā)生塌方等災(zāi)害，并提出了相應(yīng)的開挖和支護(hù)措施。在數(shù)值試驗(yàn)與工程應(yīng)用方面：黃達(dá)等[10]通過對(duì)比三峽工程地下廠房變形數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明斷層的存在嚴(yán)重惡化了圍巖的應(yīng)力及變形分布情況，而且斷層在不同位置、不同自然應(yīng)力場(chǎng)條件下對(duì)圍巖的應(yīng)力及變形的影響存在著明顯的差異；劉鵬等[11]以湛江地下水封洞庫為依托，采用FLAC3D研究了斷層破碎帶對(duì)圍巖位移的位置效應(yīng)和距離效應(yīng)，認(rèn)為斷層位置和距離對(duì)地下洞室高邊墻的穩(wěn)定性具有重要影響；王克忠等[12-13]以錦屏一級(jí)水電站地下洞群為依托研究了地下洞室斷層帶變形與破壞的力學(xué)機(jī)制，探討了柔性支護(hù)措施的作用機(jī)制及變形特征；李金河等[14-15]采用損傷彈塑性有限元數(shù)值方法對(duì)水電站在斷層錯(cuò)動(dòng)條件下圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定了洞室的合理開挖順序和支護(hù)參數(shù)。這些研究對(duì)透析斷層對(duì)地下洞室穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

本文以已有的分析方法和理論為依據(jù)，采用數(shù)值模擬的手段，針對(duì)河北豐寧一大型抽水蓄能電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定與襯砌開裂問題，開展施工過程的三維數(shù)值模擬分析。通過接觸面單元模擬2條控制性斷層，研究圍巖開挖應(yīng)力、變形、塑性區(qū)和襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律及其與斷層的相互關(guān)系；通過強(qiáng)度校核方法，評(píng)價(jià)襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的加固效果，揭示控制性斷層對(duì)圍巖襯砌開裂的作用機(jī)理；最后，基于應(yīng)力、變形、塑性區(qū)和襯砌破壞模式的研究，提出了抑制襯砌破壞的方法。

1 依托工程

該抽水蓄能水電站主要洞室(主廠房洞、主變洞和母線洞等)賦存于中粗?；◢弾r中，巖體中有十余條斷層，其中主要控制斷層2條，編號(hào)為f1和f2。圍巖類別以Ⅲ類為主，斷層出露部位為Ⅳ類。洞室上覆巖體厚度約320 m，巖體密度約為2.65 g/cm3。廠區(qū)最大主應(yīng)力接近于水平，在洞室附近最大水平主應(yīng)力值為12～18 MPa，與洞室軸線方向近似垂直；最小水平主應(yīng)力值為7～11 MPa，與洞室軸線方向近似平行。

地下洞室分層開挖，開挖過程及主要的支護(hù)措施如圖1所示。主廠房洞和主變洞采用錨索、系統(tǒng)錨桿和噴射鋼纖維混凝土的聯(lián)合支護(hù)措施：錨索和系統(tǒng)錨桿在剖面內(nèi)的埋設(shè)情況如圖2所示，在垂直于剖面方向錨桿的埋設(shè)間距為1.5 m，錨索的埋設(shè)間距為4.5 m；主廠房洞、主變洞和母線洞均噴射200 mm厚C30鋼纖維混凝土。

圖1 開挖順序與支護(hù)措施示意(尺寸單位：m)Fig.1 Excavation sequence and supporting measures

圖2 襯砌局部空鼓、開裂照片F(xiàn)ig.2 Local failures of hollowing and cracking on the liners

施工過程中地下洞室斷層附近襯砌出現(xiàn)局部空鼓、開裂以及變形較大問題，如圖2所示。為研究圍巖出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，在分析地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取f1和f2兩條控制性斷層與地下廠房切割區(qū)域建立局部三維數(shù)值模型，斷層與洞室相互的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 斷層與洞室的空間位置關(guān)系Fig.3 Spatial relationship between the faults and the caverns

2 分析方法與材料參數(shù)

2.1 分析方法

采用FLAC3D商業(yè)軟件開展相關(guān)的數(shù)值分析，其中巖體采用實(shí)體單元模擬，巖體的本構(gòu)模型采用帶抗拉強(qiáng)度的摩爾-庫倫模型；錨桿和錨索分別采用桿單元和索單元模擬，襯砌(噴射混凝土層)采用殼單元進(jìn)行模擬，錨桿、錨索和襯砌均采用帶抗拉/抗壓極限的線彈性本構(gòu)模型。此外，為了考慮斷層的滑動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，在斷層和巖體的接觸部位設(shè)置接觸面(采用接觸面單元進(jìn)行模擬)，即允許斷層與周圍巖體之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

為了研究斷層對(duì)圍巖襯砌的影響，將計(jì)算獲得的斷層附近的襯砌彎矩、剪力和軸力帶入襯砌強(qiáng)度校核公式進(jìn)行襯砌承載力校核。當(dāng)判斷襯砌上受力超過其極限承載力時(shí)，則認(rèn)為襯砌材料發(fā)生破壞。襯砌承載力的計(jì)算方法為：將地下洞室襯砌沿軸線方向切割為多個(gè)寬度為單位1(1 m)的襯砌環(huán)(見圖4)，對(duì)于每個(gè)襯砌環(huán)，根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]等可知彎矩-軸力的關(guān)系滿足公式(1)～(3)，剪力-軸力的關(guān)系滿足公式(4)～(6) 。

圖4 地下洞室襯砌強(qiáng)度計(jì)算示意Fig.4 Schematic diagram of the strength calculation of the liners

(1) 彎矩-軸力關(guān)系。

壓縮破壞時(shí)的軸力：

(1)

拉伸破壞時(shí)的軸力：

(2)

極限彎矩：

(3)

(2) 剪力-軸力關(guān)系。

拉伸破壞時(shí)的軸力：

(4)

壓縮破壞時(shí)的軸力：

(5)

極限剪力：

(6)

式中：FS為穩(wěn)定系數(shù)，在此選用FS=1；A為截面面積，t為截面厚度，I為截面慣性矩；σc和σt分別為襯砌材料的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度?；谝陨瞎?，可繪制出襯砌彎矩-軸力、剪力-軸力的承載力包絡(luò)線圖。在此基礎(chǔ)上，將數(shù)值計(jì)算獲得的襯砌彎矩、剪力和軸力對(duì)應(yīng)的點(diǎn)畫入圖中，可方便和直觀地對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)[16-17]。

2.2 材料參數(shù)

分析采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。斷層與圍巖接觸面的屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫滑動(dòng)準(zhǔn)則，接觸面的等效參數(shù)如表2所示。錨索、錨桿和襯砌均采用帶抗拉或抗壓強(qiáng)度的線彈性模型，其力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Parameters of the rock masses

表2 斷層與圍巖接觸面參數(shù)取值Tab.2 Parameters of the interfaces of the faults

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值Tab.3 Parameters of the supporting structures

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖應(yīng)力重分布

洞室開挖過程中的應(yīng)力重分布是導(dǎo)致圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。以往的研究結(jié)果表明，洞室開挖卸荷后，洞周大主應(yīng)力增大，小主應(yīng)力降低，而在洞室的缺陷處(如塊體脫落、斷層處)大主應(yīng)力和小主應(yīng)力均有不連續(xù)的現(xiàn)象。以小主應(yīng)力為例說明含斷層的地下洞室在開挖擾動(dòng)下圍巖應(yīng)力重分布規(guī)律，如圖5所示。由圖5可知：① 從洞周的應(yīng)力分布規(guī)律來看，開挖擾動(dòng)后，洞周的小主應(yīng)力降低(即卸荷)，其中高邊墻處應(yīng)力變化幅度最大、影響范圍最深，洞室頂拱處應(yīng)力變化范圍最小、影響范圍最淺；② 由于斷層的切割，使得在斷層處的圍巖應(yīng)力有較大突變，特別是在斷層與洞室交叉口處的小主應(yīng)力不連續(xù)(增大)現(xiàn)象較為明顯；③ 在不同的開挖步中，斷層應(yīng)力突變量值有較大的差異，如在第一步開挖時(shí)斷層f2在母線洞處應(yīng)力突變量值高達(dá)10 MPa(見圖5(a))，而在開挖完成后該部位應(yīng)力突變量值則降低至4.5 MPa(見圖5(f))。

圖5 隨開挖進(jìn)展圍巖應(yīng)力重分布(以小主應(yīng)力為例)Fig.5 Variation of stress redistribution of the rock masses with excavation process(taking the small principal stresses as examples)

3.2 圍巖變形特征

圍巖變形是圍巖穩(wěn)定性的最直接表現(xiàn)。圖6為在斷層作用下的地下洞室圍巖開挖的位移分布云圖。由圖可知：主廠房、主變洞和母線洞開挖過程中，圍巖的變形形態(tài)整體上表現(xiàn)為向臨空面變形的趨勢(shì)；在開挖初期，洞室的變形主要為頂拱下沉和底板回彈，如圖6(a)～(c)所示；在開挖的后期，洞室的變形主要為高邊墻近似垂直于墻面向洞內(nèi)變形，且變形幅值逐步超過頂拱和底板的變形，如圖6(d)～(f)所示。位于洞室頂部的斷層f1由于未直接與洞室相交，對(duì)洞室變形的影響較小。與洞室相交的斷層f2對(duì)洞室的變形影響較大，例如在主廠房洞上游，斷層f2為反傾，主要影響了主廠房洞開挖的回彈變形，使上游邊墻上盤巖體的豎向變形增加而下盤巖體的回彈變形減小；而在主廠房洞下游，斷層f2為順傾，上盤巖體沿?cái)鄬酉蚺R空面發(fā)生滑移，使得下游邊墻母線洞附近變形較大。

圖6 隨開挖進(jìn)展圍巖變形特征Fig.6 Deformation characteristics of the rock masses with excavation process

3.3 圍巖塑性區(qū)分布

圍巖塑性區(qū)是地下洞室群開挖擾動(dòng)的重要指標(biāo)之一，對(duì)支護(hù)措施的設(shè)計(jì)與施工具有重要的指導(dǎo)意義。圖7為開挖過程中圍巖塑性區(qū)分布與演化規(guī)律圖。由圖7可知：① 主廠房洞和主變洞頂拱部位(第一步)開挖后，整個(gè)頂拱即形成向巖體內(nèi)延伸長(zhǎng)度為3～4 m的塑性區(qū)，隨著洞室群的向下開挖塑性區(qū)基本無變化；② 受斷層f2的影響，開挖至第3步時(shí)在母線洞處呈現(xiàn)出由開挖面向巖體內(nèi)延伸的條帶狀塑性區(qū)，范圍主要集中在斷層f2附近3～4 m；③ 隨著母線洞的開挖，在主廠房洞下游邊墻和主變洞上游邊墻的巖體塑性區(qū)通過母線洞頂部的塑性區(qū)發(fā)生貫通，塑性區(qū)從開挖面向巖體內(nèi)延伸的范圍約為4～6 m，此時(shí)可以明顯看出斷層f2加劇了母線洞附近塑性區(qū)的發(fā)展；④ 開挖完成后，在主廠房洞和主變洞底板處塑性區(qū)范圍較其他區(qū)域大，向巖體內(nèi)延伸的范圍約為9～10 m。

圖7 隨開挖進(jìn)展圍巖塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of the plastic zones of the rock masses with excavation process

3.4 襯砌內(nèi)力與變形

襯砌開裂是圍巖穩(wěn)定性變化的直觀展現(xiàn)。圖8為斷層f2與主廠房洞相交部位襯砌(噴射混凝土層)的變形規(guī)律。其中，斷層f2相對(duì)于上游邊墻為反傾(見圖8(a))，相對(duì)于下游邊墻為順傾(見圖8(b))。從圖8可以看出：與斷層相交處的襯砌變形明顯增大，特別是當(dāng)斷層為順傾時(shí)，斷層上盤的巖體變形增大量值約為10 mm(見圖8(b))，增大幅度約25%，此時(shí)上盤巖體相對(duì)斷層發(fā)生了滑動(dòng)。

圖8 斷層處襯砌變形(單位：mm)Fig.8 Liner deformations at the fault

采用2.1節(jié)襯砌承載力校核方法將斷層處襯砌單元的彎矩、剪力和軸力分別代入襯砌強(qiáng)度包絡(luò)線圖，如圖9所示。由圖9可知，斷層處的襯砌部分受力最大的單元位于強(qiáng)度包絡(luò)線以外，說明這部分單元發(fā)生屈服，對(duì)應(yīng)于工程實(shí)際中斷層處襯砌開裂、壓碎等現(xiàn)象。從屈服類型來看，斷層處襯砌單元主要發(fā)生拉彎屈服(見圖9(a)和(c)中強(qiáng)度包絡(luò)線以外且軸力小于零的點(diǎn))和拉剪屈服(見圖9(b)和(d)中強(qiáng)度包絡(luò)線以外且軸力小于零的點(diǎn))，少數(shù)單元發(fā)生壓彎屈服(見圖9(a)和(c)中強(qiáng)度包絡(luò)線以外且軸力大于零的點(diǎn))和壓剪屈服(見圖9(b)和(d)中強(qiáng)度包絡(luò)線以外且軸力大于零的點(diǎn))。

圖9 斷層處襯砌強(qiáng)度包絡(luò)線與部分受力最大的單元的對(duì)比Fig.9 Comparisons between strength envelopes of liners at the faults and the elements of high stresses

將斷層處襯砌單元的屈服類型和斷層處圍巖應(yīng)力、變形和塑性區(qū)的分布特征相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)：洞室開挖后，由于斷層相對(duì)于圍巖發(fā)生滑動(dòng)，引起斷層處圍巖應(yīng)力集中、變形突變和塑性區(qū)加深，與圍巖緊密貼合的襯砌隨之發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，引起襯砌局部主要發(fā)生拉彎屈服和拉剪屈服，少數(shù)發(fā)生壓彎屈服和壓剪屈服。

3.5 斷層處襯砌問題的對(duì)策

圍巖開挖卸荷后，圍巖應(yīng)力重分布，斷層等巖體力學(xué)參數(shù)較弱部位發(fā)生應(yīng)力突變，與巖體緊密相連的襯砌必然受到此應(yīng)力突變的影響，使斷層處襯砌的內(nèi)力增大。同時(shí)，斷層部位巖體所受的約束相對(duì)較弱，斷層上下盤巖體易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，斷層處襯砌跟隨巖體被迫產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)變形，該變形使得斷層處襯砌處于拉剪和拉彎狀態(tài)。因此，為解決斷層處襯砌空鼓、開裂以及變形較大的問題，結(jié)合3.1～3.4節(jié)的研究結(jié)果，從減小斷層處巖體的應(yīng)力突變、減小斷層處巖體的相對(duì)滑移變形和增強(qiáng)襯砌的強(qiáng)度3個(gè)方面提出如下解決方案。

(1) 減小斷層處巖體的應(yīng)力突變。對(duì)于有顯著軟弱夾層的斷層，可采用灌漿的方式提高斷層軟弱夾層的強(qiáng)度，使得軟弱夾層的強(qiáng)度接近正常巖體的強(qiáng)度，從而減小斷層處巖體的應(yīng)力突變量值。

(2) 增加斷層處錨索的強(qiáng)度和數(shù)量。錨索強(qiáng)度和數(shù)量的增加可使巖體的等效力學(xué)參數(shù)增加，即增強(qiáng)了斷層附近巖體的強(qiáng)度和剛度，從而使得斷層處巖體的變形減小，斷層處的襯砌變形也隨之減小。

(3) 增加斷層處襯砌的強(qiáng)度。地下洞室通常采用噴射鋼纖維混凝土層作為襯砌，而鋼纖維混凝土噴層在斷層處易發(fā)生以拉彎和拉剪為主、以壓彎和壓剪為輔的破壞，因此可采用鋼筋混凝土錨板作為斷層處的襯砌，以提高斷層處襯砌的抗拉、抗剪和抗壓強(qiáng)度，避免襯砌發(fā)生拉彎、拉剪、壓彎和壓剪破壞。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)2條主要斷層，采用結(jié)構(gòu)面單元和襯砌強(qiáng)度校核方法，研究了斷層與地下洞室群相交圍巖的變形、應(yīng)力和塑性區(qū)變化規(guī)律及襯砌的破壞形態(tài)及其與圍巖受力間的關(guān)系，提出了抑制斷層處襯砌破壞的對(duì)策。結(jié)論如下：

(1) 在斷層與地下洞室群圍巖相交處，圍巖應(yīng)力存在突變現(xiàn)象，特別是在斷層與洞室交叉口處的應(yīng)力突變較為明顯，圍巖塑性區(qū)在斷層帶附近呈由開挖面向巖體內(nèi)延伸呈條帶狀，且隨著開挖的深入，在主廠房、主變洞、母線洞和斷層之間區(qū)域的圍巖塑性區(qū)具有貫通的趨勢(shì)。

(2) 斷層對(duì)洞室群圍巖的開挖回彈變形形態(tài)具有一定的影響，表現(xiàn)為上盤巖體的豎向變形增加，下盤巖體的回彈變形減小，在洞室的高邊墻處，順傾斷層的上盤巖體易沿?cái)鄬酉蚺R空面發(fā)生滑移。

(3) 斷層相對(duì)于圍巖的滑動(dòng)變形是導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂縫的主要原因，在斷層與洞室群切割處圍巖襯砌是以拉彎和拉剪為主、壓彎和壓剪為輔的破壞形式，與工程中斷層處襯砌的空鼓、拉裂、壓碎、剪斷等破壞形態(tài)相對(duì)應(yīng)。

(4) 對(duì)于斷層處襯砌空鼓、開裂以及變形較大等問題，可從3個(gè)方面予以解決，即：采用對(duì)斷層軟弱夾層注漿的方法減小斷層處巖體的應(yīng)力突變，采用加強(qiáng)錨索強(qiáng)度和數(shù)量的方法減小斷層處巖體的相對(duì)滑移變形，采用鋼筋混凝土錨板提高斷層處襯砌的強(qiáng)度。