積石峽水電站導(dǎo)流洞交叉段水平層狀巖體穩(wěn)定數(shù)值仿真分析

蘇曉軍，李 龍，益 波

（1.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000；2.中國水利水電第四工程局有限公司第一分局，青海 西寧 810006；3.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710065；）

1 工程概況

積石峽水電站中孔泄洪洞采用 “龍?zhí)ь^”形式與導(dǎo)流洞結(jié)合布置，開挖斷面均為13 m×15 m，結(jié)合部位交叉角 19.9°，形成跨度 28.4 m、 高度 20.59 m的城門洞形大斷面洞室。

交叉段巖性為礫巖、中細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀NE13°SE∠13°，巖性呈軟硬相間互層狀分布，拱頂上方有一厚3～10 cm的軟弱夾層穿過，洞室埋深大于100 m；該段巖體弱風(fēng)化，巖體中發(fā)育有三組中陡傾角裂隙，完整性差，基本屬Ⅲ類圍巖，局部為Ⅳ類圍巖，圍巖整體穩(wěn)定性差，特別是洞頂部位易發(fā)生坍塌掉塊。因中孔泄洪洞開挖在先，當(dāng)導(dǎo)流洞掘進(jìn)至導(dǎo) 0+217.15（中 0+235.39） 樁號時，兩洞室交角小，上游側(cè)巖墻厚度極薄（最薄處不足2 m），兩洞室相交后存在大跨度洞室和兩洞室間巖墻穩(wěn)定問題。故交叉段洞室的開挖方案、支護(hù)方式及混凝土襯砌方案的選擇對洞頂圍巖的穩(wěn)定、工程安全影響很大，為此，對不同開挖和支護(hù)方案下施工期圍巖的穩(wěn)定進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。

2 初步擬定的施工方案和加固措施

考慮到交叉段斷面不僅洞徑大，而且洞頂有軟弱夾層穿過、圍巖成層狀分布等具體情況，擬定了5種開挖和支護(hù)方案進(jìn)行比較分析（見圖1）。由于該洞段圍巖基本屬于III類圍巖，所以各方案支護(hù)都是緊跟掌子面進(jìn)行，支護(hù)參數(shù)見表1。其中，方案1、2、3在上部7 m擴(kuò)挖后預(yù)留巖坎，在圖1a、b、c中陰影部分設(shè)置鋼管柱（直徑為1 m）支撐頂拱，再按設(shè)計要求進(jìn)行支護(hù)和預(yù)應(yīng)力錨索施工及混凝土澆筑襯砌施工。

圖1 各方案開挖施工順序及支護(hù)示意

3 施工期圍巖穩(wěn)定性數(shù)值仿真分析

應(yīng)用從奧地利引進(jìn)的大型巖土工程數(shù)值仿真分析系統(tǒng)FINAL，模擬該交叉段的施工過程和支護(hù)措施，分析比較不同開挖和支護(hù)方案下施工期圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定性。

數(shù)值仿真計算時，巖體采用三角形6節(jié)點等參元模擬，視為彈塑性介質(zhì)，采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則判斷是否進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)。混凝土噴層、襯砌采用曲梁單元模擬，采用彈性本構(gòu)模型。軟弱夾層不連續(xù)面采用節(jié)理界面單元模擬，該單元可考慮軟弱夾層的張開、閉合和滑移，按彈塑性本構(gòu)關(guān)系考慮。預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿采用錨桿單元模擬，按彈性考慮，該桿單元可考慮桿體與巖體間的粘結(jié)力，模擬預(yù)應(yīng)力錨索或預(yù)應(yīng)力錨桿時，將自由部分的桿體與巖體間的粘結(jié)力取為很小的值，激活桿單元的同時在張拉端施加張拉力，同時對巖體施加反向壓力。交叉洞段斷面的有限單元網(wǎng)格見圖2，巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 地質(zhì)剖面及單元網(wǎng)格

現(xiàn)場地應(yīng)力測試表明，該區(qū)域無構(gòu)造應(yīng)力，初始地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。隧洞開挖后應(yīng)力釋放，初始地應(yīng)力場將重新分布，與支護(hù)時機(jī)以及圍巖變形模量的釋放有關(guān)。在掌子面接近分析斷面時，分析斷面內(nèi)部初始地應(yīng)力開始釋放轉(zhuǎn)移，斷面內(nèi)開挖單元的變形模量由原值E降到aE，根據(jù)變形模量的釋放，隧洞開挖輪廓周邊上的等效節(jié)點荷載為

表1 支護(hù)參數(shù)

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

式中，{ΔFA}為地應(yīng)力釋放荷載向量；[B]為應(yīng)變矩陣；{σ0}為初始應(yīng)力向量；α（0≤α≤1.0）為空間橋跨效應(yīng)系數(shù)，可根據(jù)三維解析或?qū)崪y得到；A為微元的面積；SA為積分區(qū)域。

分析斷面距掌子面一定距離時，瞬時施做噴錨支護(hù)，瞬時激活預(yù)先布置的無剛度、無應(yīng)力的曲梁單元和桿單元，在整體剛度矩陣中增加曲梁單元和桿單元的剛度貢獻(xiàn)，即考慮支護(hù)時機(jī)。系數(shù)α與分析斷面和掌子面的距離相關(guān)，距離的變化表示掌子面的推進(jìn)過程，不同的取值可反映噴錨支護(hù)的支護(hù)時機(jī)。

4 計算成果分析

4.1 圍巖應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)

施工期間圍巖的主應(yīng)力矢量場、總位移矢量場和塑性區(qū)見圖3，各方案施工完成后圍巖的變形和應(yīng)力值見表3，各關(guān)鍵點位置見圖4。開挖和支護(hù)方案不同時，圍巖應(yīng)力和變形差別不大，都是在頂拱中部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，其值為0.4～0.6 MPa，在導(dǎo)流洞拱肩部位出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，其值為5.8～6.8 MPa。邊墻水平變形不超過12 mm，拱頂?shù)某两底冃尾怀^17.5 mm。相比之下，方案4施工期塑性區(qū)差別不大，開挖完成后在隧洞邊墻4 m范圍內(nèi)，頂拱5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū)，均在錨桿長度范圍內(nèi)。

圖3 方案I施工完成后圍巖主應(yīng)力矢量、位移矢量和圍巖塑性區(qū)

圖4 洞壁圍巖關(guān)鍵點位置示意

4.2 錨桿軸力

通過5種方案開挖完成后的錨桿軸力分析表明，施工期預(yù)應(yīng)力錨索均可安全工作。頂拱處錨桿受力小于邊墻部位，當(dāng)頂拱全部采用250 kN、10 m長預(yù)應(yīng)力錨桿時（方案3、5），邊墻部位錨桿軸力均小于設(shè)計值；但當(dāng)頂拱采用系統(tǒng)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索加固時（方案1、2、4），泄洪洞一側(cè)邊墻中部部分錨桿軸力超過200 kN，需將錨桿間距加密為1.5 m×1.5 m。當(dāng)頂拱支護(hù)布置相同時，開挖方式對邊墻處錨桿拉拔力影響很小。預(yù)應(yīng)力錨索有利于加固大跨度洞室的拱頂圍巖，減小拱頂圍巖的拉應(yīng)力和拉應(yīng)力區(qū)。

4.3 噴層內(nèi)力

5種方案施工開挖完成后噴層軸力分析見圖5。從圖5可以看出，不論采用那種施工方案，噴層壓應(yīng)力均小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計值，在導(dǎo)流洞邊墻中部會出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值沒有超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計值。采用上下開挖的施工方案（方案1、2、3）時，受頂拱中部撐起的鋼管柱影響，該部位噴層產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此全斷面開挖完成后，頂拱中部出現(xiàn)了大約4 MPa的拉應(yīng)力，已接近鋼纖維混凝土噴層的強(qiáng)度設(shè)計值，使用特殊混凝土如聚丙烯混凝土可滿足要求。而采用左右開挖的施工方案時，頂拱拉應(yīng)力則不超過3 MPa，鋼纖維混凝土噴層可滿足要求。由此可見，施工期噴層受力主要由開挖方式控制。

就施工期噴層受力而言，左右開挖要優(yōu)于上下開挖，上下開挖時在層狀巖體中形成的大跨度洞室，對圍巖穩(wěn)定不利，盡管再向下開挖時對圍巖和支護(hù)的受力影響不大。左右開挖時，導(dǎo)流洞一側(cè)的開挖使泄洪洞一側(cè)的支護(hù)受力增加，但仍比上下開挖時略小，同時左右開挖減小了軟弱夾層對洞室穩(wěn)定的影響。預(yù)應(yīng)力錨索則可有效地加固洞室頂部的軟弱夾層。

表3 各方案施工期洞壁圍巖關(guān)鍵點變形值及應(yīng)力值對比

圖5 不同方案施工期噴層軸力比較

4.4 襯砌內(nèi)力

采用上下開挖的施工方式（方案1、2、3）時，襯砌要承受一部分因移去鋼管柱支撐后的圍巖變形壓力，因此，施工期拱頂中部襯砌的內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)約2 MPa的拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為4 MPa，出現(xiàn)在底板和邊墻的拐角處，1.5 m厚的混凝土襯砌配筋后可滿足要求。采用左右開挖的施工方式，施工期襯砌基本上不承受圍巖變形壓力，因此襯砌內(nèi)力很小，最大拉應(yīng)力不超過0.3 MPa，最大壓應(yīng)力不超過1 MPa。開挖方式的不同導(dǎo)致了襯砌受力差別很大。從襯砌受力的角度來講，左右開挖的方案優(yōu)于上下開挖方案。

4.5 施工方案的選用

經(jīng)過理論計算分析和模型數(shù)據(jù)分析，對5種開挖、支護(hù)方案進(jìn)行綜合比較，并綜合考慮交叉段洞室結(jié)構(gòu)特點以及地質(zhì)條件，決定采用方案2實施開挖、支護(hù)。而在交叉段實際開挖過程中，發(fā)現(xiàn)出露的巖石裂隙發(fā)育，巖石破碎，巖坎未能完全保留，經(jīng)各方現(xiàn)場研究、討論，確定選用方案4，并在原開挖施工方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用增加預(yù)應(yīng)力錨桿等措施強(qiáng)化了支護(hù)。

5 結(jié)語

積石峽水電站交叉段洞室是目前國內(nèi)在白堊系水平巖層中最大的洞室之一，其穩(wěn)定數(shù)值仿真分析及其計算成果論證了特大斷面洞室開挖施工技術(shù)的可行性，確定的開挖、支護(hù)方案應(yīng)用效果良好，簡化了工序，避免了大的塌方，確保了施工安全，加快了施工進(jìn)度，且通過對已埋設(shè)的觀測儀器的監(jiān)測分析，得到了在積石峽水電站特殊地質(zhì)條件下開挖中的圍巖變形數(shù)據(jù)，可供工程參考。