大型地下洞室施工圍巖力學行為與控制技術

袁平順, 王 圣

(中國水利水電第七工程局有限公司第二分局， 四川成都 610000)

1 大型地下洞室施工圍巖力學行為與控制技術現(xiàn)狀分析

大型地下洞室的巖體力學分析主要通過剖析巖層巖體結構特征、物理性質等問題，研究地下洞室上覆巖體變形破壞機理，明確影響圍巖穩(wěn)定性的各個原因，得出結構在上部荷載作用下的變形破壞規(guī)律，為隧道變形機理提供論證并給相同背景下的工程提供相應的指導。近年來大量國內外學者利用力學分析、物理模型試驗、數(shù)值模擬模擬，總結了隧道圍巖變形破壞規(guī)律，探索了不同條件下圍巖穩(wěn)定性問題。許興亮，張農等[1]利用關鍵層理論推導出圍巖關鍵巖梁結構，發(fā)現(xiàn)當巖層的破壞不會影響到關鍵巖梁結構時，關鍵層可以提供更大支反力來應對巖梁結構的變形。鐘新樵[2]針對偏壓隧道，通過隧道不同開挖方式對比試驗，研究了偏壓隧道在不同條件下變形破壞的發(fā)展過程；王戍平[3]選用特定的河沙作為模型試驗材料，試驗研究了破碎圍巖在地下水作用下襯砌的受力情況及圍巖的變形破壞過程；汪成兵[4]通過分析大量隧道塌方實例，設計了圍巖漸進性破壞試驗方案，重點研究了隧道斷面、埋深、圍巖強度等指標對圍巖破壞機理的影響，總結了不同塌方類型的漸進性發(fā)展、破壞過程，并記錄了隧道塌方過程中圍巖應力場及位移場變化規(guī)律；粟偉[5]采用底摩擦物理模擬試驗，選取隧道典型破壞斷面進行研究，再現(xiàn)了隧道塌方過程，總結了圍巖變形破壞規(guī)律。數(shù)值分析也是分析大型地下洞室施工圍巖力學行為的常用方法，Sloan[6]利用有限單元法，分析了土質方形隧道的穩(wěn)定性問題；Singh[7]運用有限元數(shù)值模擬，研究了煤柱間頂板穩(wěn)定性問題。

在地下洞室施工過程中，由于工程條件的復雜性，常常發(fā)生施工安全事故。為了保證施工安全及隧道投入運營后的安全，在施工過程中對圍巖進行監(jiān)測是十分必要的，通過現(xiàn)場圍巖監(jiān)控量測及時掌握圍巖和支護在施工中的力學動態(tài)及穩(wěn)定程度，為評價和修改初期支護參數(shù)、力學分析及支護施作時間提供依據(jù)。楊紅軍[8]根據(jù)Panet、Gaudin、Sulem的研究成果[9-11]，利用半解析計算方法，考慮了隧道周邊收斂和拱頂下沉隨時間和掌子面推進距離的變化情況，建立了相關的收斂模型，并由此給出了硬巖及軟巖隧道中二襯的合理支護時機。袁厚海、龍煥林[12]在已有研究成果和大量實測資料分析處理的基礎上，采用基于隧道支護結構測斜數(shù)據(jù)推導隧道支護結構彎矩值，給岀了較準確的隧道支護結構彎矩預測方法，并通過隧道工程實例驗證。

2 工程概況

楊房溝水電站為國內首個百萬千瓦級大型地下廠房和百米級高壩整體EPC水電項目，位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上(部分工程區(qū)域位于甘孜州九龍縣境內)，是雅礱江中游河段一庫七級開發(fā)的第六級，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。電站總裝機容量1 500 MW，安裝4臺375 MW的混流式水輪發(fā)電機組。引水發(fā)電系統(tǒng)采用“岸塔式進水口”、“單機單管引水”、“兩機一室一洞” 尾水出水方式。在壩址左岸山體不到0.5 km2的區(qū)域內、高度約400 m巖體中，共布置了體型各異、大小不等的近40條洞室，累計總長度超過10 km。這些洞室縱橫交錯、平、斜、豎相貫，組成復雜的大型地下洞室群，其中楊房溝水電站左岸廠區(qū)實測地應力最大值為15.52 MPa，地應力回歸分析顯示最大主應力σ1在12～14 MPa之間，屬中等地應力水平條件。其三維空間展布見圖1所示。

圖1 楊房溝水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群三維圖

3 大型地下空間開挖圍巖與結構力學特性分析

在中(高)地應力硬巖條件下水電站地下洞室開挖中，典型的片幫破壞(Spalling)現(xiàn)象一般比較常見，本質上是低圍壓條件下原生裂隙或微裂隙平行于開挖面擴展導致的宏觀破壞模式，屬于張性破壞。針對開挖過程中潛在的高應力破壞風險，根據(jù)巖石工程界廣泛采用的經(jīng)驗標準，脆性巖石在應力集中水平達0.3～0.4倍單軸抗壓強度時，即進入了微裂隙萌生擴展的階段，并定義為巖石的啟裂強度。具體在楊房溝地下廠房洞室群開挖中，根據(jù)上述經(jīng)驗和現(xiàn)場工程實踐認識，可將洞室開挖導致圍巖應力集中達到24 MPa作為初步判定發(fā)生圍巖破裂或應力型破壞(片幫)的閾值，即：當洞室開挖導致的圍巖應力集中程度大于24 MPa時，該部位淺層圍巖將存在應力型破壞風險。楊房溝地下廠房開挖頂拱圍巖應力集中程度在20～26 MPa，基本達到圍巖破裂或應力性破壞的閾值；當圍巖應力集中程度低于24 MPa時，應力型破壞風險很?。欢词议_挖后的應力集中程度越高，該部位圍巖發(fā)生應力性破壞的程度也將越強。以上楊房溝地下廠房洞室?guī)r體(花崗閃長巖)應力性片幫破壞經(jīng)驗判據(jù)的擬定，可為后續(xù)制定和優(yōu)化洞室開挖支護設計方案，在一定程度上限制圍巖的應力性片幫破壞提供參考依據(jù)。三大洞室中導洞開挖應力分布特征如圖2所示。

圖2 三大洞室中導洞開挖應力分布特征

地下廠房洞室群中導洞開挖過程中出現(xiàn)的應力型破壞特征論證了前期對廠區(qū)初始地應力特征判斷的準確性。在廠房洞室群第I層中導洞開挖和擴挖階段，針對不同圍巖條件、不同洞室中的應力性片幫破壞出現(xiàn)的位置、程度等特征及其差異性開展了跟蹤統(tǒng)計對比分析，片幫破壞發(fā)生部位與頂拱應力集中區(qū)相對應，破壞程度較輕微，發(fā)展深度多在數(shù)厘米深度，一般小于20 cm，其中主廠房和主變室頂拱的應力性破壞分布范圍和程度上基本相當，尾調室頂拱的應力性破壞問題相對不明顯。對比圖中的數(shù)值分析成果，可知三大洞室中導洞應力集中特征(圍巖應力集中部位、應力集中程度等)與現(xiàn)場片幫破壞位置、程度二者具有一致性。廠房洞室群中導洞開挖頂拱應力性破壞分布特征如圖3所示。

圖3 廠房洞室群中導洞開挖頂拱應力性破壞分布特征

對比圖中的數(shù)值分析成果，可知三大洞室中導洞應力集中特征(圍巖應力集中部位、應力集中程度等)與現(xiàn)場片幫破壞位置、程度二者具有一致性。

三大洞室第I層開挖完成后應力分布特征如圖4所示。

圖4 三大洞室第I層開挖完成后應力分布特征

中導洞擴挖引起圍巖應力重分布。擴挖后，頂拱體型平順化，整體受力更為均勻，拱效應開始顯現(xiàn)。頂拱應力集中區(qū)仍位于上游側拱肩部位，但應力集中程度較中導洞開挖時有所減弱，應力集中程度普遍低于24 MPa。根據(jù)現(xiàn)場開挖施工情況，三大洞室第I層中導洞擴挖過程中頂拱部位均未發(fā)生明顯的應力型片幫破壞現(xiàn)象，相比中導洞開挖的圍巖高應力破壞問題要減弱很多。

中導洞擴挖后，兩側拱腳部位出現(xiàn)明顯應力集中，量值可達到20～24 MPa。在現(xiàn)場實際開挖過程中也可以看到應力集中導致兩側拱腳的巖體出現(xiàn)一些輕微的破裂和松弛?？紤]到兩側拱腳(座)是洞室頂拱發(fā)揮拱效應的關鍵承載部位之一，因此，現(xiàn)場針對這些位置提出了及時施作系統(tǒng)支護的要求。

地下洞室群開挖完成后應力分布特征如圖5所示。

圖5 地下洞室群開挖完成后應力分布特征

如圖5所示，主副廠房和尾調室頂拱圍巖在洞室下臥開挖影響下應力集中程度相對第I層開挖階段有所增加，應力集中區(qū)的范圍也有所擴大，應力集中區(qū)位于上游側拱肩—頂拱部位，量值可達到22～26 MPa。

上述數(shù)值分析結果顯示，楊房溝地下廠房洞室群在下臥開挖過程中，雖然會導致主副廠房和尾調室上游側拱肩～頂拱圍巖的應力集中范圍和程度有所加強，但總體應力量值水平不高，在現(xiàn)有支護強度情況下(頂拱系統(tǒng)支護主要包括初噴、施作系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)復噴混凝土，其中針對頂拱應力集中區(qū)部分錨桿要求帶墊板并緊貼圍巖，并在拱肩部位采用了系統(tǒng)預應力錨桿，局部洞段也進行了針對性的加強支護)，頂拱出現(xiàn)普遍性應力破壞問題的風險較小。上述分析結論與現(xiàn)場情況基本一致，洞室開挖過程中未見明顯的頂拱圍巖應力性破壞現(xiàn)象，其中主廠房、主變洞和尾調室頂拱僅陸續(xù)出現(xiàn)了幾次局部噴層開裂掉塊現(xiàn)象，但均未見鋼筋網(wǎng)，三大洞室中主廠房頂拱噴層開裂掉塊現(xiàn)象頻次相對偏高。

綜合同類工程經(jīng)驗、現(xiàn)場全過程跟蹤調查和數(shù)值分析手段等，可知，現(xiàn)場各洞室第一層中導洞開挖、擴挖及后續(xù)下臥開挖階段的圍巖或噴層應力型破壞情況(應力性破壞分布范圍和程度)與數(shù)值分析成果基本具有一致性，說明了上述對地下洞室群初始地應力場、巖體強度等基礎性資料的認識是基本準確的，擬定的圍巖應力型破壞判據(jù)也具有一定的適用性。

4 控制技術

楊房溝水電站三大洞室布置形式及巖體結構特征均相對不利，三大洞室開挖完成后，群洞效應顯現(xiàn)，高邊墻部位圍巖開挖卸荷變形響應相對明顯。類比同類工程經(jīng)驗，地下洞室群圍巖累計變形量總體不大，圍巖開挖二次應力水平屬中等，圍巖的塑性屈服區(qū)深度整體可控，主要洞室之間的巖柱塑性屈服區(qū)均未見貫通，支護整體受力基本在設計范圍內，地下洞室群圍巖處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。當然，各洞室開挖施工過程中均存在一些局部工程問題，現(xiàn)場通過開展實時動態(tài)設計和監(jiān)測反饋分析工作，及時調整和優(yōu)化開挖支護方案，或采取針對性補強加固措施，有效提升了洞室圍巖的整體和局部穩(wěn)定性。

楊房溝地下廠房洞室群第I層中導洞開挖時，開挖斷面近似矩形，由于傾向河谷側(上游側)的地應力場特征，使得在開挖斷面的上游側拐角處形成較明顯的應力集中。受初始應力水平影響，各洞室開挖后拱肩部位的應力集中程度總體不高，基本在24 MPa左右，局部巖體存在發(fā)生應力型破壞的風險，為避免開挖過程中所出現(xiàn)的“貓耳”型凹坑破壞，根據(jù)應力集中程度和后續(xù)應力調整情況，在地下洞室開挖前提出了如下建議：

(1)在開挖環(huán)節(jié)上，盡量避免上游側(臨江側)半幅放置過久，前期擬定的施工方案是優(yōu)先開挖上游側半幅，這種開挖方案是合理的。

(2)建議適當加強上游側拱肩應力集中部位的支護強度，可以考慮增加(內插)一排普通砂漿錨桿，其入巖角度可考慮盡量傾向于臨江側，并將中導洞上游拱肩部分普通砂漿錨桿調整為帶墊板的普通砂漿錨桿，以便更好地控制上游側拱肩的片幫問題。

5 結論

(1)現(xiàn)場各洞室第一層中導洞開挖、擴挖及后續(xù)下臥開挖階段的圍巖或噴層應力型破壞情況(應力性破壞分布范圍和程度)與數(shù)值分析成果基本具有一致性，說明了上述對地下洞室群初始地應力場、巖體強度等基礎性資料的認識是基本準確的，擬定的圍巖應力型破壞判據(jù)也具有一定的適用性。

(2)不同圍巖條件、不同洞室中的應力性片幫破壞出現(xiàn)的位置、程度等特征具有差異性，片幫破壞發(fā)生部位與頂拱應力集中區(qū)相對應，破壞程度較輕微，其中主廠房和主變室頂拱的應力性破壞分布范圍和程度上基本相當，尾調室頂拱的應力性破壞問題相對不明顯。

(3)楊房溝廠房洞室群開挖規(guī)模巨大，三大洞室開挖完成后，群洞效應顯現(xiàn)，高邊墻部位圍巖開挖卸荷變形響應相對明顯。地下洞室群圍巖累計變形量總體不大，圍巖開挖二次應力水平屬中等，圍巖的塑性屈服區(qū)深度整體可控，主要洞室之間的巖柱塑性屈服區(qū)均未見貫通，支護整體受力基本在設計范圍內，地下洞室群圍巖處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。