深部巖體群洞開挖順序對圍巖穩定性影響分析

李興權

（承德石油高等專科學校，河北 承德 067000）

0 概述

在地下群洞的開挖過程中，不同的開挖順序，就意味著對圍巖的一種不同的暫時加載方式，在施工期間不斷變化著的洞型和加載方式，不僅影響施工期內地表的沉降、圍巖的應力、破損區和洞周位移，而且影響洞體成型后的應力分布、破損區大小以及洞周位移、地表位移狀況，由于開挖是造成地表沉降和圍巖應力重分布的基本原因，因此，地下洞室的開挖方式己引起人們的廣泛注意[1-2]。

本文以錦屏二級水電站長埋引水隧洞為工程背景，建立數值計算模型。由于該隧道橫截面沿長度方向保持不變，在柱面上受有平行于橫截面而且不沿長度變化的約束，同時，體力也平行于橫截面而且不沿長度變化屬于平面應變問題。數值計算模型沿長度方向厚度取1米，按平面應變問題分析不同開挖順序對深部硬巖隧道的長期穩定性。

1 數值模擬

1.1 錦屏二級水電站概述

錦屏二級水電站位于四川涼山彝族自治州境內的雅礱江干流之上，裝機容量4800MW，單機容量600MW，按《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準》，屬一等工程，工程規模為大型，隧洞須按一級建筑物設計。電站利用雅礱江150km 大河彎的巨大天然落差裁彎取直，開挖隧洞引水發電。電站由首部低閘、引水隧洞、地下廠房三部分組成[3]。

1.2 數值模型

由于沿引水隧洞軸線方向的較長范圍內，圍巖巖性較單一，隧道斷面形狀和尺寸不沿著隧道長度方向變化，因此，此問題可近似簡化為平面應變問題，故本次計算采用平面應變方法進行計算。模型如圖1 所示，由左到右，分別為1#、2#、3#、4#隧洞。模型邊界條件為左右兩邊均采用法向約束，底部也采用法向約束，頂部施加面應力為44.6MPa。應力場考慮了自重應力場，分別在x，y，z 方向施加35，28，44.6MPa 的構造應力。初始地應力生成采用快速應力邊界法（S-B 法）。由模型的初始應力云圖可以看出，錦屏二級引水隧洞計算模型初始水平地應力為34.12MPa～39.38MPa，初始縱向地應力為27.295MPa～31.582MPa，初始豎向地應力41.228MPa～52.865MPa，說明模型的應力場分布與實際情況較為接近。

1.3 本構模型及參數的選取

為模擬巖體的卸荷過程及其流變行為,采用FLAC3D 軟件中的Generalized -Kelvin 模型與Mohr-Coulomb 模型串連而成的粘彈塑性模型—Cvisc 模型,Cvisc 粘塑性蠕變模型考慮材料的粘彈塑性應力偏量與彈塑性體積變化特性，它能描述巖石的衰減蠕變和等速蠕變,符合隧洞圍巖變形性質。

引水隧洞巖體具體的巖石力學參數見表1，具體蠕變參數見表2。

表1 巖體力學參數Tab.1 Rock mechanics parameters

表2 蠕變力學參數Tab.2 Creep mechanics parameters

圖2 拱頂最大主應力變化曲線Fig.2 Curve of the maximum principal stress at vault

圖3 邊墻最大主應力變化曲線Fig.3 Curve of the maximum principal stress at side wall

1.4 模擬方案

模擬設置三種不同的工況，分別為：

工況一：1#、2#、3#、4# 隧洞同時開挖；

工況二：先開挖2#、4# 隧洞，后開挖1#、3# 隧洞；

工況三：1#、2#、3#、4# 隧洞順序開挖。

2 結果分析

隧洞開挖后，巖體變形并不是瞬間達到最終值，而是隨時間變化發展的，隧洞圍巖應力隨著變形持續增長而不斷調整變化，圖2 和圖3 為1# 洞開挖后拱頂和拱底某點隨蠕變時間最大主應力變化圖。由圖可知，隧洞開挖后，圍巖應力迅速調整，持續30 天后隧洞圍巖趨于穩定。因此采用隧洞開挖30 天后圍巖進行比較。

3 結論

以錦屏二級水電站引水隧洞工程為依托，模擬多孔隧洞開挖對圍巖穩定性的相互影響，綜合數值分析結果和現場實際施工速度等要求，按工況二開挖，即群洞間隔開挖較為合理，應力集中范圍較小，發生滯后巖爆等圍巖變形破壞的可能性小，因此，對于多洞隧道開挖采用間隔開挖法有利于降低滯后巖爆的風險。

［1］張文彥.城市地鐵渡線區變截面群洞隧道施工技術的優化研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

［2］謝謨文，楊淑清，廖野瀾.互層狀巖體中群洞開挖穩定性研究和實踐[J].巖石力學與工程學報，1995，14(2)：131-137.

［3］李大鑫.錦屏二級水電站不同施工方法引水隧洞圍巖穩定性研究[D]，成都：成都理工大學，2009.