某電站地下廠房洞室圍巖穩定性研究

王　勇（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南　長沙　410014）

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某電站地下廠房洞室圍巖穩定性研究

王勇（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014）

近年來，我國修建了一大批的大型水電站，地下廠房洞室跨度也越來越大。本文采用ABAQUS有限元分析軟件，對某電站地下廠房進行數值模擬計算，并進行了洞室開挖圍巖穩定性的研究，并根據圍巖穩定情況選擇不同的施工方案。

地下廠房；圍巖穩定；ABAQUS；有限元

引言

地下工程的研究對象為巖體，服務對象則是工程，例如：隧道工程、地下采礦工程、建筑工程、公路工程、鐵道工程、水利水電工程以及核廢料貯存工程等。雖然巖體力學研究已經在全世界得到普遍重視，但是因為巖體地質條件的特殊性、復雜性，令人類對地質研究長期以來一直處在較為落后階段。

當前，在我國地下工程的圍巖穩定與支護設計中，以有限元為代表數值模擬分析方法應用廣泛，打破了我國單純采用結構力學方法應對地下工程的局面。通過有限元數值解法的應用，能夠在計算模型內較好反映洞室圍巖性質特征、外部荷載、邊界約束條件，使得洞室襯砌支護和圍巖成為一個整體進行分析，有效避免結構力學方法的一些假定，提高了計算分析的精度等。

1　模型的建立

1.1地質模型概述

水電站左岸引水發電水電系統的進水口位于左岸850m侵蝕平臺靠勘界河側邊緣部位。垂直埋深大于150m，水平深度大于250m。其主要工程地質條件：

（1）圍巖主要忙懷組下段的沉積巖，以下為花崗巖，處于微風化～新鮮花崗巖體組成。

（2）圍巖類別為Ⅱ類約占55%，Ⅲ類約占30%，Ⅳ類約7%，Ⅴ類約8%。

（3）圍巖中的結構面不存在Ⅲ級及Ⅲ級以上結構面構成的不利組合體，主要由NNW向結構面相互間組合，NNW向與NNE向結構面構成的楔形體以及同走向結構面，其傾向相反形成的正“人”字組合。

數值模擬以地下廠房為選取對象，邊界L=300m，埋深H= 480m，洞室半徑為R=15m，頂拱至開挖最底面h=60m。由于上覆巖體和圍巖以沉積巖和花崗巖組成，所以參數的選取依據現場和試驗提供的參數為依據，并依據現場和模型的特殊情況進行合理的修正，使模型的建立盡量合理并達到預期設計計算目的。

1.2理論模型

模型選取彈塑性Drucker-Prager屈服準則，由現場沉積巖γ1=26.5kn/m3，巖體抗剪強度指標，摩擦系數φ1=47.7°，粘聚力c1′=1.0MPa，巖體變形模量E1=4×109，泊松比ν1=0.3；沉積巖γ2=25.5kN/m3，巖體抗剪強度φ2=38.7°，粘聚力 c2′=0.5MPa，巖體變形模量E2=1.5×1010，泊松比v2=0.25。由于從現場和設計所得資料是關于 Mohr-Coulomb的參數，須將這些值轉化為Drucker-Prager屈服準則的參數值，即用D-P逼近M-C，選用線性D-P。

1.3地應力場的分析

初始應力場對于模擬材料屈服有圍壓依賴性，正確分析尤為重要。ABAQUS中Geostatic分析步對巖體施加體積應力。在理想的狀態下，該作用力和土體初始應力處于一個平衡狀態，令土體初始位移是零。但在平衡地應力場中，由于巖體的復雜性，定義的初始應力場和施加的荷載難以得到平衡。

Geostatic分析步中，ABAQUS/Standard會對巖體平衡狀態開展檢查，獲得和給定邊界、荷載條件平衡的一個應力狀態，并需要對預先定義初始應力狀態加以修正，以作后續分析步初始應力場。此過程中，對靜止側壓力系數k0，即泊松比v進行調整。非線性問題中，若是給定的初始應力場和Gesostatic步中的荷載未獲得一個平衡，則會造成非線性問題迭代的不收斂，無法獲得正確結果，此時就需要對初應力進行調整。如果在Gesostatic步中土體的變形太大，也必須重新校核定義的初始應力場是否正確。

1.4計算參數的選取

1.4.1邊界條件的確定

模型的左邊界、右邊界為位移約束邊界，約束水平方向的位移；模型的地面也為約束邊界，僅約束垂直和水平方向的位移；模型的頂面高程為821.5m，與實際地表最大相差261.5m，因此在模型的頂面施加由上部巖層產生的不均勻重力。由于所建模型的巖體主要由上部沉積巖和下部的花崗巖組成，因此在模型計算時應考慮此地形特征。

1.4.2仿真過程設計

開挖后圍巖的位移變形、應力場不僅取決于圍巖力學特性、結構面特征、初始地應力和洞室的形態，開挖方案同樣也是一個重要影響因素。所以，數值仿真的也應該包含施工過程。以設計和施工中的開挖順序為基礎，然后進行合理的簡化，開挖步驟圖如圖1所示。

圖1　洞室開挖順序圖

2　洞室開挖后的圍巖穩定分析

2.1應力場特征

（1）地下廠房區應力場的總體分布特征較為穩定，主應力隨深度變化符合一般地應力場變化規律；而斷層一定程度上會影響應力分布連續性，特別是斷層附近呈現為較大剪應力變化梯度；斷層交匯部位呈現為顯著剪應力集中的現象。

（2）地下廠房區三向應力狀態的總體呈現為中間的主應力接近垂直，最大與最小主應力水平。

（3）廠房部位最大應力的方向和廠房軸線方向的夾角小于20°，應力量值偏小，對主廠房、主變開關室等主要洞室圍巖穩定性的影響較小。

（4）應力隨深度均表現為逐漸增大的趨勢，但最大和最小主應力隨深度增加的速率稍小。

（5）在底下洞室所在的范圍內，原始地應力的變化范圍為：水平平行廠房軸線方向主應力：-6.4～-8.8MPa（拉應力為正，壓應力為負）；水平垂直于廠房軸線方向主應力為：-2.4～-3.6MPa。

（6）廠房區的初始應力場剪應力量級偏低，主廠房部位的剪應力低于-1MPa。

圖2　平面最大應力圖

圖3　平面最小應力圖

由結果圖2～3可以看出：

（1）洞室開挖完成后，圍巖主應力的方向出現明顯的偏轉，總體而言，最大主應力呈現的是與洞室周邊相切（頂拱部位）或平行的（邊墻部位）趨勢。應力方向于洞室各角點的偏轉最顯著。洞室開挖之后，圍巖的二次應力場形成主要范圍與邊墻相距為60～90m。

（2）最大主應力在應力場內變化處于-18.7～-2.12MPa范圍內，集中區域分布于洞室2個拱角與左右2個下角點。主廠房左右2個拱角的最大壓應力值為-12.82MPa、-13.13MPa，左右2個下角點最大壓應力值為-14.82MPa、-15.97MPa。

（3）最小主應力在圍巖應力場內的變化處于-6.69～3.26MPa范圍內，重分布規律與最大主應力類似，在各個洞室左右2個下角點出產生壓應力集中。其中，主廠房最大壓應力值如下：左、右2個拱角達-3.08MPa和-2.56MPa，左、右2個下角點達-4.21MPa和-3.83MPa，頂拱中心點為-4.24MPa。

2.2變形位移特征（如圖4～6所示）

圖4　巖體位移變形圖

圖5　地下洞室垂直廠房軸線位移變形圖

圖6　地下洞室圍巖垂直方向位移變形圖

地下洞室開挖完成后，圍巖向臨空面發生回彈變形，總體表現為頂拱下落和地板拱起的位移較大，邊墻水平向內的位移小。

分析結果表明：地下洞室開挖完成后，圍巖的變形總體上量值不大，一般在數10～20mm之間；頂拱和地板的變形略大與邊墻的變形。右邊墻大與左邊墻的變形，右端墻的變形大于左端墻的變形，最大位移量在頂拱和地板的中部。

2.3塑性區破壞過程分析（如圖7所示）

圖7　塑性區破壞圖

（1）圍壓塑性破壞區主要表現在洞室的上、下游邊墻部位。受斷層影響，破壞區主要發生在開挖附近區域，破壞形式以拉張破壞為主。

（2）根據洞室開挖后圍巖應力重分布的規律，圍巖的壓應力集中區主要分布在洞室的左、右兩個下角點和左、右兩個上角點等部位，拉應力則產生邊墻中部等處，另外底板中部部分地段也可能會出現局部的拉應力集中，圍巖破壞區的分布和這一規律有較好的一致性。由于花崗巖等脆性巖石材料抗拉強度低，所以在邊墻出現的拉張破壞區范圍大于壓應力集中區產生的剪切破壞區。破壞區的范圍隨開挖施工的進行呈現出動態的變化。

（3）破壞區的分布總是首先出現在開挖面的附近。但破壞區的大小、破壞類型和擴展方式與工程部位和施工順序緊密相關。

3　圍巖開挖施工方案

圍巖穩定程度不同，應選擇不同的施工方案。施工方案選定合理，對保護圍巖穩定性有很大意義；隧洞的開挖方式，基本上有兩種：①全斷面開挖法；②導洞開挖法。全斷面開挖法一般適用于圍巖很穩定，無塌方掉石的地區。對巖石稍差但斷面尺寸較小的中小型隧洞亦可全斷面開挖。導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩定的地質條件。為了防止塌方冒頂事故，可縮小斷面，先打導洞，然后分塊完成施工斷面。

（1）當圍巖不太穩定，頂圍易塌時，應在洞室最大斷面的上部先挖導洞，立即支撐，達到要求的輪廓，作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護下擴大斷面，最后做側墻襯砌。這便是上導洞開挖、先拱后墻的辦法。為減少施工干擾和加速運輸，還可以用上下導洞開挖、先拱后墻的辦法。

（2）當圍巖很不穩定，頂圍塌落，側圍易滑時，可先在設計斷面的側部開挖導洞，由下處向上逐段襯護。到一定高程，再挖頂部導洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側導洞開挖、先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。

（3）當圍巖較穩定時，可采用單導洞全面開挖、上下雙導洞全面開挖、連續襯砌的辦法施工。

［1］胡愛宇.地下結構分析及優化設計［D］.河海大學，2004.

［2］黃達.大型地下洞室開挖圍巖卸荷變形機理及其穩定性研究［D］.成都理工大學，2007.

［3］郝 健.復雜地質條件下超大型調壓井開挖圍巖穩定性分析［D］.四川大學，2006.

王 勇（1987-），男，工程師，碩士，主要從事水工結構工作。

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2095-2066（2016）13-0073-03

2016-4-10