基于開挖卸荷效應的地下洞室圍巖穩定性分析

蔡健 劉霞

摘要：在地下洞室實際施工過程中，圍巖處于復雜的應力路徑中?；陂_挖卸荷理論，以某抽水蓄能電站地下進廠交通洞為研究對象，結合室內試驗與三維有限元數值模擬，對洞室位移應力的分布規律及整體穩定性進行綜合評價。分析表明，考慮開挖卸荷效應洞室圍巖變形能較好地反映圍巖的穩定性。室內試驗與數值模擬相結合的分析方法對類似工程具有一定參考價值。

關鍵詞：圍巖穩定性;開挖卸荷效應;三維有限差分法;地下洞室;抽水蓄能電站

中圖法分類號：TU45文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2019）01-0027-05

1 研究背景

卸荷巖體力學問題是高陡邊坡、地下洞室、路（壩）基等工程建設中不可避免的重大問題之一。20世紀90年代，針對工程巖體中出現的較多常規巖石力學理論無法較好解釋的工程問題，如金川邊坡、鏈子崖邊坡的大變形等，李建林等[1]以三峽永久船閘高邊坡為研究對象，創新性地提出了卸荷巖體力學的概念。在其后的研究過程中，巖體卸荷力學特性越來越受到重視，針對一些重要的工程巖體問題開展了諸多研究，如三峽工程船閘高邊坡及地下廠房、拉西瓦水電站及錦屏水電站等高地應力區高邊坡和深埋地下廠房或引水隧洞等工程開挖卸荷穩定性問題[2-7]。

基于計算機性能的提高，數值仿真分析方法迅速發展，并在巖土工程的設計和研究中得到廣泛應用。三維快速拉格朗日分析（FLAC3D）采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程，同時應用混合單元離散模型，對于模擬材料的塑性流動、彈塑性分析、大變形分析及模擬施工過程等有其獨具的優點。國內許多學者采用軟件對地下廠房洞室群開挖、支護進行了數值模擬。張練等[8]模擬了水布埡地下廠房施工開挖的不同方案，對比研究了軟巖置換和噴錨支護措施對圍巖穩定性的改善作用。朱維申等[9]對小浪底水利樞紐地下工程的支護效果進行了數值模擬，通過不同的支護方案對比，分析了錨索、錨桿以及混凝土襯砌對圍巖變形和穩定的影響。

雖然地下洞室圍巖穩定性的數值模擬技術已經較為成熟，但考慮開挖效應的地下洞室穩定性評價的實例不多，有必要進行相關研究?；诖耍疚慕Y合室內實驗，針對某抽水蓄能電站的進廠交通洞，采用三維有限元法，分析開挖后洞室圍巖的應力場、位移場，評價洞室開挖后洞室圍巖的整體穩定性，相關成果可為類似工程提供設計參考。

2 三軸加卸載蠕變試驗

2.1 試驗設備

該試驗所使用的儀器主要有巖石切割機、電子天平、數顯游標卡尺、PCI-2聲發射檢測儀以及RMT-150C巖石力學試驗系統。

室內實驗的三軸流變試驗部分基于TOP INDUSTRIE自適應自動巖石三軸試驗機，該設備是一套多功能的精密儀器設備，可用于巖石和混凝土等材料的力學實驗。

2.2 室內三軸卸圍壓流變試驗曲線

三軸卸荷流變試驗采用定軸壓逐級卸圍壓的流變試驗方案。該試驗在圍壓為55 MPa時進行，花崗巖試樣在逐級加卸載下的軸向蠕變曲線、側線蠕變曲線及應力時程變化曲線特征如下：明顯不同的是，除第一級荷載外，在其余各級荷載作用下蠕變曲線均呈現出衰減蠕變和穩態蠕變的特征，且與常規三軸蠕變試驗相比，卸圍壓蠕變試驗的蠕變變形顯著增加。

（1）在常規三軸壓縮蠕變試驗中，花崗巖的蠕變變形不大，瞬時變形占總變形量的90%以上。但在同等圍壓條件下，隨著應力水平的提高，軸向蠕變變形呈增加趨勢。

（2）在低應力水平作用下，花崗巖只呈現衰減蠕變特征;在較高應力水平作用下，會出現穩態蠕變階段，蠕變速率開始時最大，然后逐漸減小，最后減至一定值時以恒定速率發展;只有在接近長期強度的高水平應力作用下，花崗巖才會呈現出加速流變特征，并且加速階段的蠕變速率可用冪率型的函數形式來描述。

（3）在卸圍壓狀態下，圍壓的降低不僅會顯著提高蠕變變形量，而且會改變花崗巖的蠕變變形形態：在卸圍壓蠕變過程中，瞬時變形只占總變形量的60%～70%，比重明顯降低，且均可觀測到明顯的穩態蠕變過程。卸圍壓流變具有明顯的類似軟巖流變的特點。

（4）卸圍壓狀態下，穩態蠕變速率隨著與初始圍壓差值的增大而顯著提高。

（5）在三軸流變試驗機上獲得的三軸流變試驗曲線，為巖石粘彈塑性流變模型的建立和辨識提供了可靠的試驗資料。

3 三維有限差分法計算理論

3.1 工程概況及計算模型

3.1.1 工程概況

某工程位于皖南山區?，F有公路X086縣道從工程區穿過，沿著X086縣道可直達績溪縣城，距縣城里程29 km，距黃山市公路里程88 km。電站樞紐主要由上庫、下庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成。裝機容量1 800 MW，安裝6臺單機容量為300 MW的可逆式抽水蓄能機組，電站建成后主要服務于華東電網。進廠交通洞是地下廠房主要運輸交通通道，也是廠房的進風通道，施工期作為廠房中部開挖的施工通道。進廠交通洞洞口布置在下水庫庫岸公路旁，從安裝場端部進入廠房，長約1 679.58 ?m，城門洞型，斷面凈尺寸為7.8 m×7.8 m（寬×高）。洞口高程 350.35 m，安裝場高程248.20 m，交通洞平均坡度 6.08%。

下庫庫區出露地層為元古界震旦系下統休寧組（Z1x）中段碎屑巖以及燕山晚期侵入的花崗巖（γ53（3）），第四系覆蓋層零星發育，以崩、坡積為主，主要分布于沖溝、坡腳和地勢寬緩地帶。

3.1.2 計算模型

根據進廠交通洞入口段地下洞室布置及運行的特點，對該范圍地下洞室群圍巖穩定進行整體三維數值仿真計算。計算域范圍：沿洞軸線方向長405.1 m，垂直洞軸線方向寬137.7 m，平面布置圖粗線范圍內。

巖石物理性質采用室內試驗與工程類比法相結合得出的參數見表1～2。

主要考慮以下計算工況。

（1）考慮卸荷效應開挖工況。按常規彈塑性有限元計算洞室開挖后未加固工況?？紤]到邊坡的實際開挖情況及卸荷效應，采用分段開挖，計算中模擬了邊坡的開挖情況。本工況采用初始力學參數計算，目的是了解最終開挖完成時洞室巖體應力場和洞室變形的情況。同時考慮巖體蠕變情況，計算50 a內的洞室變形。

（2）未考慮卸荷效應開挖工況。通過對比增加卸荷區前后的位移、塑性區變化，分析卸荷作用對洞室開挖的影響。

3.1.3 邊坡卸荷巖體力學參數

邊坡開挖后，初始應力場發生了變化，巖體質量劣化，節理連通率增加，巖體受到損傷，抗拉強度降低，卸荷巖體力學參數發生了較大變化。

根據卸荷巖體力學原理與方法，開挖卸荷工況邊坡卸荷巖體的變形模量應適當降低，參照《卸荷巖體力學原理與應用》[10]，其降低百分比見表3。

具體計算時，以初始應力場與開挖完成后的應力場進行比較計算，得到各巖體的卸荷百分比，再根據初始力學參數值得到卸荷后各區域卸荷巖體的力學參數值。

3.2 三維有限差分法各工況計算

3.2.1 考慮卸荷效應開挖工況

開挖洞室穿過斷層，主要分布在弱風化上和弱風化下區域。共分為7段開挖。每段洞室外層設5 m和10 m兩個卸荷區。其中1，2段未有塑性區，其余各段開挖塑性區對比。

洞室開挖結束后，由于應力釋放，圍巖產生指向洞室內部的回彈變形。頂拱及底板以豎向位移為主，邊墻以水平位移為主。水平位移最大值達到2.57 mm，發生于斷層側墻的中等高度附近。底板最大回彈量為50 mm。隨著洞室的開挖，巖體中的塑性區逐漸加大，主要位于軟弱斷層處，因此斷層開挖在施工時應引起足夠的注意，及時采取支護措施。由于花崗巖質地堅硬，施工前已經挖除洞口全風化帶，因此洞口處未出現明顯的塑性區。

3.2.2 未考慮卸荷效應開挖工況

開挖洞室穿過斷層，主要分布在弱風化上和弱風化下區域。共分為7段開挖。此次計算不考慮卸荷作用的情況，以便與上節考慮卸荷作用的開挖進行對比，監測點的位移及塑性區分布。

根據卸荷巖體力學理論，洞室開挖過程為應力釋放過程，也就是卸荷過程。洞室位移場、塑性區變化明顯有別于加載巖石力學理論計算結果。在不考慮卸荷作用的情況下，洞室最大位移發生在斷層洞頂處，達 7.21 mm。塑性區位于斷層處。與考慮卸荷工況相比，不考慮卸荷作用情況下水平最大位移減少了0.32 mm，減少了 4.25%。塑性區分布區域減小。

4 結 論

本文通過室內試驗和有限元數值模擬對某抽水蓄能電站進廠交通洞進行穩定性分析，較系統地研究了考慮卸荷工況與不考慮卸荷工況下護洞室圍巖的變形及塑性區，驗證了卸荷效應理論對于地下洞室圍巖穩定性研究的可靠性，主要結論如下。

（1）在不考慮卸荷作用的情況下，洞室最大位移發生在斷層洞頂處達到 7.21 mm，塑性區位于斷層處。而考慮卸荷效應情況下，底板最大位移為50 mm，水平位移最大值達到 2.57 mm，發生于斷層側墻的中等高度附近，與不考慮卸荷作用情況下水平最大位移減少 0.32 mm，減少 4.25%，塑性區分布區域減小。因此在地下洞室開挖過程中有必要考慮圍巖卸荷效應。

（2）本文主要針對的是硬巖（花崗巖）的室內試驗，后面將進一步研究不同巖性巖體的卸荷流變試驗，并且基于試驗結果建立不同巖性巖體卸荷流變本構模型，用于數值模擬中。在模型的建立上，受限于計算的效率，網格的劃分較為粗略。所用本構模型是基于有限元自帶模型，今后將立足于自建模型對有限元軟件進行二次開發，使數值模擬結果更符合工程實際。

（3）結合室內試驗與數值模擬的方法能較好地對地下洞室的安全穩定性進行評價，相關研究思路可為后續類似工程提供一定的參考價值。

參考文獻：

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