復雜地質條件下的地下洞室群施工期圍巖穩定分析

曾繼坤，彭 強，陳 熠，王振紅

(1.華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建 寧德 352100；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.中國水利水電科學研究院結構材料所，北京 100038)

0 引 言

由于受到地形地質條件等因素的限制，不少水電樞紐工程采用地下廠房布置形式，因而需要建設地下廠房洞室群。大型地下洞室群一般都是洞室布置復雜，多條斷層與洞室交叉，多條斷層和洞室相互交叉的隨意性嚴重影響著地下洞室群的安全與穩定[1-4]。在地下洞室群施工建設過程中，特別是對于復雜地質條件下的地下洞室群，洞室開挖對圍巖產生強烈擾動，造成巨大卸荷效應，對圍壓穩定有巨大影響。斷層、節理等軟弱地質結構面和高地應力是主導地下洞室群圍巖穩定的關鍵影響因素[5-7]。首先，地下廠房洞室群圍巖存在的軟弱夾層、斷層、裂隙及層間錯動帶等，必將造成圍巖空間上的非均質性和不連續性。其次，在高地應力條件下，開挖卸荷問題將更加突出，不可避免形成開挖塑性區，甚至損傷區，嚴重影響洞室群圍巖穩定[8-13]。最后，圍巖強度參數和變形特征復雜多變，存在著不確定性和可變性。

地下洞室群的圍巖穩定問題關系到工程建設安全，需要進行深入研究。目前，圍巖穩定分析主要通過地質力學模型試驗、理論解析方法和數值分析方法等手段實現。隨著計算機技術的發展，有限元數值分析方法高效率、成本低，越來越得到廣泛應用。

1 工程概況

周寧抽水蓄能電站位于福建省周寧縣境內，裝機容量1 200 MW。地下廠房洞室群為主要建筑物，以主副廠房洞、主變洞、尾閘洞為主體，3大洞室平行布置，上下分層，相互連通。廠房的洞軸線方向為N23°W，主副廠房內安裝4臺單機容量為300 MW的水輪機組，洞室尺寸為 170 m×24.5 m×55.5 m(長×寬×高)，主變洞尺寸為 165 m×19 m×22.65 m，尾閘洞尺寸為106.5 m×8 m×18 m。廠房與主變洞間設4條母線洞、1條主變運輸洞和1條電纜交通洞，洞室采用系統錨桿加噴混凝土的支護結構。

地下廠房所處山體較雄厚，上覆巖體厚為280～375 m。廠房周圍巖石以微弱風化的花崗巖體占據主導地位，其他小區域有石英巖脈等巖體分布，巖體較完整～完整為主，局部完整性差。在地下廠房洞室群區域發現有20條斷層，包含3個較大的斷層f52、f61、f67，長度較大，寬都在0.5 m左右，其走向與廠房縱軸線呈大角度相交；其他小斷層發育數量雖多，但大都與廠房縱軸線均呈大角度相交，為中陡傾角結構面。

地下廠房洞室圍巖透水性總體微弱，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，Ⅱ類約占 82.4%，Ⅲ類約占 15.0%，斷層破碎帶及影響帶為Ⅳ類，約占 2.6%，圍巖整體穩定～基本穩定，斷層帶及局部節理間切割形成的小不穩定塊體穩定性差，需采取噴錨支護措施。

2 計算方法

2.1 模型建立

仿真模型建立時，考慮2倍的實際工程尺寸，建立地下洞室模型的長為344 m，寬約246 m，高約115.6 m，包括地基到地面。考慮對圍巖穩定影響較大的3條斷層結構面f52、f61和f67的影響。斷層采用6結點棱柱體單元，其他部分均采用4結點四面體單元。仿真計算網格模型見圖1。

圖1 仿真計算網格模型

2.2 巖體力學參數

廠房圍巖以Ⅱ類鉀長花崗巖為主，地質條件總體較好。計算中模擬了對廠房影響相對較大的f52、f61和f67結構面。圍巖及結構面力學參數取值見表1。

表1 圍巖及結構面力學參數

2.3 計算方案

根據電站廠房的設計布置和施工計劃設計，廠房主副洞按照7層施工分層。尾水洞按照3層施工分層。廠房洞室的開挖順序見圖2。各期的開挖情況見表2。

表2 分層開挖規劃

圖2 廠房洞室的開挖順序(單位：尺寸mm；高程m)

3 計算結果分析

對洞室群開挖區附近的3條斷層f52、f61、f67以及圍巖的實體單元采用Mohr-Coulomb準則[11]；對距離開挖區較遠，距離邊界較近的單元采用線彈性準則；對錨桿單元采用線彈性準則。

3.1 初始地應力場

通過對地下廠房的初始地應力場分析可知[12]，廠房區域最大主應力約為-10～-18 MPa，第二主應力約為-8～-14 MPa，最小主應力約為-4～-10 MPa。從地應力量值上看，廠房部位屬于低～中等地應力場。斷層附近巖體的主應力較小。分析結果與地應力實測值吻合較好。

3.2 無支護情況下的圍巖穩定分析

仿真計算時，首選給計算模型添加初始地應力，結合初始條件和約束情況，依據不同的分層開挖方案，采取生死單元法模擬開挖過程。首選計算方案為沒有支護情況的巖土應力、變形。選取2號母線洞中心剖面9個特征點進行分析，特征點分別位于主廠房、主變洞、尾閘洞的上游邊墻、頂拱、下游邊墻，具體位置見圖3。

圖3 特征點位置示意

3.2.1圍巖變形分布特征

在施工模擬過程中，隨著分層開挖的進行，洞周圍巖向洞內擠壓變形，位移逐漸增大。洞室附近圍巖變形除斷層結構面兩側的部分區域較大外，整體上分布較為規律，距洞室較遠的圍巖基本不受施工開挖的影響。位于3大洞室的上游邊墻、頂拱和下游邊墻的9個特征點在每期開挖后的位移統計見表3。

從表3可知，開挖初期，頂拱變形較大，邊墻變形較小；但隨著洞室下層的開挖，邊墻的位移迅速增長，頂拱的位移增長緩慢，高邊墻逐漸形成；洞室圍巖的變形主要集中在洞室的邊墻，頂拱的位移相對較小；洞室端墻的變形規律性較強，位移逐步增長。開挖后期，洞室圍巖的變形逐漸趨于穩定，洞室形態基本正常，但由于各洞室之間的開挖會相互影響，所以個別特征點的位移存在先減小后增大的變化；洞室的尺寸對圍巖變形有較大的影響，廠房的圍巖位移最大。計算結果同時顯示，洞室寬度對頂拱的位移有較大影響，洞室高度為邊墻位移的主要影響因素；斷層對洞室周圍圍巖位移產生影響，特別是對與洞室交匯處的圍巖位移影響明顯。

表3 洞室各特征點在施工開挖過程中的位移 mm

3.2.2圍巖應力分布特征

從各斷面的主應力分布圖來看，圍巖的應力分布呈現如下規律：洞室頂拱、底板與邊墻相交處一般為應力集中區，一般在洞室結構的轉折部位易發生應力集中，邊墻兩側巖體常常發生松弛現象。

廠房開挖后，洞室邊墻應力降低明顯，兩側區域的圍巖會發生松弛現象，表現在一定的深度范圍。邊墻中部的松弛區域較深，兩端的松弛區域較淺，邊墻的高度越高，松弛現象也更為明顯和嚴重。此外，邊墻和頂拱的連接部位、邊墻和底板的連接部位以及洞口部位都是拉應力區域，但最大拉應力小于1.0 MMPa，對周圍巖體的穩定影響較小。最大拉應力區域發生在尾閘洞頂拱的拱角處，為36 MPa，遠小于圍巖的抗壓強度。應力松弛區的深度與應力集中值隨著開挖的推進而不斷增加。相比洞室周圍其他部位的圍巖，斷層兩側的圍巖的壓應力值明顯偏小，距洞室較遠的圍巖基本不受施工開挖的影響。

3.2.3巖體的塑性特性分析

在開挖過程中，因開挖形成的臨空面周圍了產生一定深度的塑性區，廠房的塑性區深度最深，頂拱塑性區深度在3.5 m左右，上、下游邊墻中部塑性區深度最大約16 m，大于頂拱塑性區深度；洞室與洞室交叉部位是塑性特性表現明顯的區域，且范圍明顯，表現明顯的是母線洞端部與廠房連接區域，塑性區表現深度約20 m；主變洞的頂拱區的塑性區表現深度約3 m。對比主變洞的上、下游邊墻區域的塑性表現深度可以發現，上游略大于下游，最大深度約12 m；尾水事故閘門洞兩側邊墻塑性區約8 m；在斷層兩側的塑性區的塑性應變也相對較大。

3.3 錨桿支護情況下的圍巖穩定分析

洞室群主要支護形式為柔性的系統噴錨支護，廠房洞室采用的支護方式為：砂漿錨桿直徑25 mm或28 mm、長6 m或8 m、間距1.5 m×1.5 m；主變洞周圍的巖體采用直徑為22 mm的砂漿錨桿，長6 m、間距1.5 m×1.5 m；尾閘洞周圍的巖體采用直徑為25 mm的砂漿錨桿，長5 m、間距1.5 m×1.5 m；母線洞采用直徑為25 mm的砂漿錨桿，長4.5 m、間距1.5 m×1.5 m。

3.3.1圍巖變形分布特征

支護前后特征點在開挖完成后的位移變化見表4。從表4可知，支護措施對洞室圍巖的變形有一定的改善作用，但效果并不是特別明顯，特征點位移的減小量在5%以內。可能是因為洞室周圍的塑性區的深度較大，而錨桿的長度最大為8 m，遠遠未達到塑性區的深度，未能有效發揮錨桿的作用所致。

表4 支護前后特征點在開挖完成后的位移變化

從開挖支護過程中位移的變化趨勢可以看出，加錨桿支護后，位移的變形規律與不加錨桿時大體相同，這時的頂拱區域向下位移不再變化，兩側的邊墻位移都在允許范圍內，最大值約為2.0 cm，洞室的位移變化正常。

表5 施工開挖過程中在不同階段不同應力范圍內錨桿受力統計

3.3.2圍巖應力分布特征

加錨桿后，拉應力有一定程度的改善，減小值約為8%，圍巖的壓應力基本不變。支護作用對改善應力松弛現象起了一定的作用，邊墻的應力松弛區的范圍有所減小。支護作用在改善圍巖最小主應力分布效果方面較為明顯。

3.3.3圍巖塑性區分布特征

通過模型分析，支護后圍巖塑性區范圍有一定的減小，說明系統支護對控制圍巖的塑性區分布有改善作用，但改善效果不很明顯。在地下洞室群和斷層交差處，洞室的邊墻部位和頂拱部位可能存在失穩現象。加錨桿支護后，塑性變形與不加錨桿時相比有所減小。

3.3.4錨桿應力分析

支護后，洞室周圍的圍巖和支護體共同受力，相互之間協調變形，受力平衡。施工過程中錨桿的應力統計見表5。從表5可知，隨著洞室的不斷開挖，錨桿的應力值不斷提高，僅有2%左右錨桿受力超過250 MPa，占比例較低，且主要集中于f52、f61和f67出露部位、主副廠房洞上游邊墻中部以及下游邊墻的母線洞的洞口附近，可以通過優化局部支護設計等措施保證支護結構的安全。絕大多數錨桿受力均在150 MPa以下，小于錨桿的設計強度。總的來說，錨桿的整體應力水平不高。開挖完成后，100 MPa以下的錨桿占總體的67.07%，150 MPa以下的錨桿占總體的84.61%。

4 結 語

本文基于施工組織設計擬定的分層開挖及支護方案， 采用有限元法對圍巖的應力、位移、塑性區分布及錨桿應力分布進行分析，得出以下結論：

(1)廠房圍巖的整體穩定性較好。圍巖的位移分布基本符合一般規律，頂拱向下變形，底板向上變形，邊墻向洞室內側變形，且圍巖的位移整體很小，最大值不超過2.5 cm；圍巖的拉應力較小，壓應力不超過巖石的抗壓強度。

(2)斷層是影響洞室區域巖體穩定的主要因素。廠房洞室開挖后，其周圍巖體的變形范圍都有一定程度的增大，最大主壓應力也有所減小；錨桿應力在斷層、邊墻中部以及母線洞洞口附近應力較大，而在其他部位應力較小。

(3)采取錨桿支護措施后，洞室的位移、應力和塑性區分布均有所改善，錨桿整體的應力水平不高，應力值基本都不超過鋼筋的屈服強度，錨桿設計參數基本合理；母線洞與廠房上游邊墻和主變洞下游邊墻相交的洞口部位的受力條件相對較差，位移較大。

(4)在設計給定的錨桿支護條件下，洞室圍巖變形、應力、塑性區及支護結構受力均在合理的范圍內，巖體和支護結構是安全穩定的。洞室開挖支護方案能夠滿足圍巖的穩定性要求，支護參數基本合理。