前坪水庫安山玢巖洞室圍巖穩定分析

趙健倉　李永新　來光　唐建立　皇甫澤華

摘 要：圍巖穩定性是地下建筑物安全和使用首要的考慮條件，同時制約工程建設、影響后期建筑物運行安全。洞室圍巖失穩是一個受諸多因素影響和制約的復雜過程。在闡述前坪水庫泄洪洞圍巖基本特性的基礎上，簡要分析圍巖應力分布的特點、應力重分布規律以及圍巖變形破壞的因素，運用等效內力計算及現場監測手段，找出工作區圍巖應力重分布后應力最大部位，明確了洞室襯砌設計的關鍵部位。工作區監測資料反映圍巖位移變化符合“破壞—支護—平衡”的規律，同時位移曲線也呈現出較為明顯的S形曲線走勢，根據位移曲線可確定初期噴錨支護后圍巖應力重分布達到新平衡的時機，達到了充分發揮圍巖自承能力的目的。

關鍵詞：圍巖失穩;應力重分布;圍巖應力;圍巖監測;圍巖自承能力;前坪水庫

中圖分類號：TV222?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.018

Stability Analysis of Cavern Surrounding Rock of Andesitic Porphyrite of Qianping Reservoir

ZHAO Jiancang1， LI Yongxin1， LAI Guang1， TANG Jianli1， HUANGFU Zehua2

（1.Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China;

2.Henan Qianping Reservoir Construction Administration， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：The stability of surrounding rock is an initial consideration condition of the safety and operation for underground building and it also restricts the construction of engineering works and affects the safe operation in the later stage. The instability of cavern surrounding rock is a complicated process which is influenced and restricted by many factors. Based on the elaboration of the basic characteristics of discharge surrounding rock of the reservoir， the paper briefly analyzed the characteristics of stress distribution of surrounding rock， law of stress redistribution and factors of deformation and failure of surrounding rock， found out the maximum part of stress of the working area after stress redistribution by using the method of equivalent internal force calculation and field monitoring and made clear the key part of lining design. The monitoring data of working area shows that the displacement variation of surrounding rock complies with the rule of “damage-support-balance”， the displacement curve also shows obvious s-curve trend and achieves the purpose of fully playing the self bearing capacity of surrounding rock based on the opportunity of reaching to the new balance after stress redistribution of shotcrete-bolt support at early stage.

Key words： surrounding rock instability; stress redistribution; surrounding rock pressure; monitoring of surrounding rock; self bearing capacity of surrounding rock;Qianping Reservoir

隨著技術經濟的發展，地下洞室工程日漸增多，而其圍巖穩定性是地下建筑物安全運行的重要前提條件，因此分析研究地下洞室圍巖的穩定性顯得尤為重要[1-4]。自20世紀50年代開始，國外許多學者深入研究地下洞室群有關的穩定性和支護問題，其中奧地利人L.V. Rabcewicz提出的新奧法理論（New Austrian Tunneling Method，簡稱NATN）最具代表性[5-6]。20世紀60年代初我國開始洞室噴錨支護技術的推廣和應用，到20世紀80年代我國地下廠房圍巖的剛性支護才完全轉變為噴錨支護，國內較早應用噴錨支護技術的主要有吉林白山電站、云南魯布格電站、小浪底水庫等大型水利工程地下廠房。

自然狀態下，長期應力歷史作用使得巖體一般處于平衡狀態，然而洞室開挖引起其周圍巖體卸荷，圍巖將在卸荷回彈作用下產生應力重分布。準確分析和評價洞室穩定性是施工前的重要環節，然而其周邊工程地質環境具有不可預測性和較大的不確定性，以及施工過程的不確定性，造成實際工程中難以準確評價洞室的穩定性。

總體來說，圍巖穩定性遵循一定規律，當圍巖巖體堅硬且完整時，卸荷回彈和應力重分布一般只引起較小的圍巖應力，此時不會發生圍巖過大變形或破壞，這種情況下地下洞室不采取加固措施也能保持自穩;當巖體本身強度較低或者有軟弱夾層、斷層及破碎帶等不良地質情況時，伴隨巖體卸荷發生的回彈應力及重分布應力一般會超過圍巖適應能力，導致洞壁局部或整體喪失穩定性[7-8]。因此，較軟弱巖體或斷層等不良地質條件處的洞室開挖后，若未及時采取有效加固措施或加固措施不適當，則可能引發工程事故，給洞室施工及后期運營管理留下安全隱患[9-10]。現階段，洞室穩定性評價一般根據工程地質條件、圍巖特征結合工程類比和經驗判斷確定，并在此基礎上確定支護加固措施。本文在三維數值分析的基礎上結合前坪水庫泄洪洞圍巖應力監測確定圍巖應力及最大應力分布位置，確定圍巖初期支護后應力平衡時間，為經濟合理地實施二次混凝土襯砌提供依據。

1 工程區地質概況

河南省前坪水庫泄洪洞洞身段建基面高程為349.64～360.00 m，巖性主要為微弱風化下帶安山玢巖，具典型的“硬、脆、碎”特征，呈塊狀構造、碎裂結構，巖體裂隙較為發育，但結構面短小、延展差，張開裂隙由鈣質充填膠結，巖塊間嵌合較好，尤其北西向及北東向陡傾角閉合裂隙發育，洞體受北東向裂隙構造影響較大，巖層透水率為0.41～1.73 Lu。泄洪洞圍巖巖性主要為安山玢巖，其塊狀構造、碎裂結構、裂隙多呈閉合狀的特點決定其圍巖穩定性主要受巖體自身結構的制約。

根據勘測資料，洞身段圍巖類別為Ⅲ類。泄洪洞洞身采用城門洞式結構，洞身范圍內安山玢巖抗壓強度（飽和單軸）平均為64.7 MPa，普氏系數f=6～8。

2 圍巖應力分析

2.1 應力分析的必要性

泄洪洞洞室圍巖為碎裂結構，巖體本身存在非均質性、不連續性、各向異性、非線性、時間相關性等明顯特點[11]，勘察及后期施工中均未發現巖體中存在連續軟弱結構面，也未見地下水，因此開挖后的重分布應力就成為制約洞室穩定性的主要因素。隧洞開挖后原巖應力狀態受到破壞，圍巖發生不均勻位移，周邊巖體通過應力調整來抵御不均勻位移。重分布應力將引起圍巖各質點沿最短距離向洞壁方向移動，直至新的平衡產生[12-13]。在應力重分布發展過程中圍巖受力狀態也會發生變化，原有應力的大小及主應力的方向均會發生一定改變，導致巖體內原本處于緊密壓縮狀態的部位出現部分松脹、部分擠壓情況。在這種主應力強烈分異情況下，最不利應力條件將出現在洞室周邊，極易引起洞室圍巖破壞[14]。工程經驗表明，在適當滯后支護或柔性支護等條件下，圍巖將產生一定變形來釋放部分應變能，從而達到降低作用在襯砌結構上圍巖應力的目的。但是，如果遲遲不進行襯砌，圍巖發生過大變形后，其自身承載能力將大大減小[15]，因此確定合理的支護時機顯得尤為重要。

2.2 圍巖應力重分布的一般特點

泄洪洞洞身段主要位于微弱風化下帶安山玢巖中，其開挖凈寬9.70 m、凈高12.60 m（包含拱矢2.71 m），拱頂中心角為117°。洞室開挖采用兩層三區法施工（見圖1），上下分為兩層，下層再從中間分為左右兩個作業面。施工時，先開挖上層，上層掘進一定進尺后進行下部開挖，而后上下兩層同時循環掘進。

隧洞開挖后，在二次應力狀態下，圍巖發生應力偏轉的巖體承載自身的重力和上部不穩定荷載，引起上方圍巖產生拱結構切向壓緊區域[16]。此時，若回彈應力或重分布應力超過圍巖能夠承受的作用，則勢必導致圍巖發生塑性變形直至破壞。洞室破壞后，周圍巖體將形成新的松動帶或松動圈，再次調整圍巖應力狀態，使應力集中區向巖體內部轉移，逐漸形成新的應力分帶[17]。一定條件下，圍巖應力集中區是有一定分布范圍的，根據圣維南原理，洞室開挖卸荷引起的圍巖應力重分布主要局限在3～5倍洞室開挖跨度范圍內。

2.3 等效內力分析

為簡化問題，本次計算洞室圍巖豎向初始應力σz采用的公式為

σz=ρhg（1）

式中：ρ為巖石密度;g為重力加速度;h為計算點的埋深。

同時，假設水平向地應力與豎向地應力相同。安山玢巖節理雖比較發育，但皆緊密閉合，根據資料，變形模量E=5×104 MPa，密度ρ=2.64 g/cm3，泊松比μ=0.25 MPa，摩擦系數F′=0.80，內聚力C′=0.70 MPa。選取典型斷面0+065、0+110、0+275、0+450進行了三維數值分析，模型范圍為隧洞兩側及下部均取5倍洞徑，隧洞以上取至山頂。計算結果顯示：典型斷面上典型點圍巖最大位移為5.07 mm、圍巖第一主應力接近0.767 MPa，均發生在進口漸變段，主要受豎井開挖卸荷影響。其余斷面最大位移為3.27 mm，表明巖體抗剪強度較高，處于彈性狀態;其余斷面第一主應力最大值為0.014 MPa，低于混凝土抗拉強度，第三主應力為-5.63 MPa，發生在進口段邊墻底部。

考慮泄洪洞采取城門洞式設計，其結構及受力近似對稱，在典型斷面上進行等效應力分析時可取洞室一半進行分析，洞室襯砌截面典型應力計算點編號見圖2。為方便分析洞室各部位受力情況，數值分析計算成果轉化為內力（軸力、剪力、彎矩等）。軸力、剪力、彎矩計算公式分別為

N=∑Ki=1Fxi（2）

M=∑Ki=1liFxi（3）

τ=QA（4）

式中：Fxi為等效內力計算出的i節點處沿坐標軸x的節點力;Q為截面剪力;N為換算出的截面軸力;M為截面彎矩;τ為截面剪應力;li為等效內力計算i節點的力臂;A為受剪截面面積。

把內力換算為等效內力，換算示意見圖3。

應力計算結果見表1。計算表明：正常蓄水期墻底部局部應力較高，洞壁應力遠低于圍巖飽和單軸抗壓強度，說明洞室圍巖總體是穩定的，但設計時應注意加強應力集中區的配筋。

2.4 圍巖監測

洞室圍巖的變形是地質水文條件、施工方法、施工氣候條件等諸多因素共同影響的綜合反映。鑒于地質條件的復雜性及現有勘探手段的局限性，當下無法完全掌握現場地質條件。目前圍巖應力分析理論均基于一定的概化假設，參數選取存在一定人為因素，分析所得的圍巖應力情況及相應應力變化規律等并不完全符合現場實際情況。根據經驗分析，現場開挖后，圍巖穩定條件在一段時間內處于動態變化之中，特別是在初期支護后，疊加施工質量的差異使得圍巖應力變化更加復雜。

基于以上因素并結合目前發展的狀況來看，工程中引入圍巖應力監測手段就成為一種直觀反映圍巖應力及其變化規律，印證圍巖應力計算成果，進而根據反饋的數據及時調整設計的一種有效手段。因此，今后相當長的一段時間內需要特別關注圍巖監測反饋信息，根據監測反饋信息分析洞室圍巖變形特征、優化反分析本構模型及反分析方法、支護結構受力分析等。

前坪水庫泄洪洞洞室圍巖巖性為鑲嵌碎裂結構安山玢巖，具有典型的“硬、脆、碎”特點，圍巖中短小結構面發育[18]，其對現有計算模型的適用性更需要圍巖監測資料印證。為此，在工程施工中，洞內布置多點位移計進行監測，共布置4個監測斷面，其樁號分別為0+065、0+255、0+325、0+455，每個斷面分別在左、右直墻底，直墻與拱矢交接部位以及頂拱部位典型點布置位移計，監測儀器布置見圖4。其中，0+065典型斷面位移計監測結果見表2。

2.5 圍巖變形分析

通過分析4個監測斷面數據發現，最大位移位于墻底處、拱頂部位位移一般較小，與等效內力分析結果基本一致。位移計安裝后，其監測到的變形呈增長趨勢，在施工期間，隨著開挖的不斷進行，圍巖變形不斷增大（見圖5）。隨著下道開挖完成，洞室錨噴支護完成后位移增長趨勢逐漸變緩，至固結灌漿施工結束后其變形才趨于穩定（見圖6）。典型測孔如BX3-1測孔，左拱座最大變形為10.79 mm;右拱座次之，最大為7.48 mm;頂拱變形最小，為3.48 mm。至2017年1月洞室開挖結束并進行錨噴支護施工完成后，變形速率明顯減小;自2017年3月以來，圍巖變形速率小于0.01 mm/d，表明圍巖一直處于穩定狀態。

雖然圍巖變形受諸多復雜因素影響，但是通過分析工作區監測資料可以發現，其位移變化符合“破壞—支護—平衡”的規律，即位移量隨時間延長逐步收斂，同時位移曲線呈現出較為明顯的S形走勢，且大致可分為3個階段（見圖7）。圖7 圍巖典型變形曲線

（1）第一階段。主要是儀器安裝后封孔水泥漿收縮與圍巖變形共同作用，但以水泥收縮影響為主，直至儀器受拉達到最大值為止，此時水泥漿收縮與圍巖變形達到相對平衡，該時段測量數據一般很難準確反映圍巖變形情況。

（2）第二階段。以圍巖變形為主，該階段變形主要為開挖后圍巖應力釋放所致，至初期支護完成后，達到短暫平衡狀態，以及下臺階開挖后打破上臺階圍巖初期形成的平衡，位移量出現增長，至下臺階施工完畢噴錨支護后，其變形量逐步收斂，圍巖與支護環構成新的相對平衡受力體系。

（3）第三階段。組合拱形成，支護體系新增應力逐步減小，圍巖處于相對穩定狀態。此時為二次襯砌混凝土的最佳時機。

2.6 數值分析結果與圍巖監測結果對比

隧道圍巖新奧法施工中需要及時的洞壁圍巖收斂及支撐結構受力情況等監測信息，以此來判斷數值分析結果和工程經驗確定的設計參數及施工工藝的合理性，達到信息化動態控制施工過程的目的。根據上述分析可得到以下結論：①洞壁應力最大值出現在直墻底，其次為洞頂，邊墻部位最小，數值分析結果與位移測量結果在規律上是一致的;②多點位移計雖不能直接測量圍巖應力情況，但其反映的圍巖位移情況可間接證明數值分析結果的合理性;③綜合分析現場監測數據與數值分析結果說明，碎裂結構巖體數值計算中力學參數及邊界條件取值是合理的，結果是可信的。

3 結 語

目前，信息化施工、設計以現場量測為主要手段，現場測量能及時在施工過程中向設計、施工方反饋圍巖變形及受力狀態的各種量測結果，為充分發揮圍巖的自承載能力，減小圍巖應力，確定合理的支護時間，以及采用經濟合理的支襯結構設計提供重要依據[19]。

泄洪洞工程施工開挖后，現場量測數據證明了等效應力計算結果的可靠性，通過等效內力計算發現墻底處應力最大，是運營期相對薄弱部位，也說明圍巖應力重分布后該處應力最大，是圍巖失穩破壞的關鍵部位，必須保證該處圍巖穩定，將該處作為支護設計的重點。

泄洪洞工程施工前期圍巖變形持續加大，直至下層開挖完畢并完成錨噴支護后組合拱才逐步形成，支護體系應力逐步達到平衡，圍巖處于相對穩定狀態，因此在開挖下臺階時應保證上臺階初期支護已完成。監測數據顯示，工程區鑲嵌結構巖體開挖初期支護一般15 d后洞室圍巖位移逐步收斂，約45 d應力充分釋放，圍巖在初期支護結構的作用下達到新的應力平衡，此時圍巖應力最小，可進行模筑鋼筋混凝土二次襯砌。

參考文獻：

[1] 佟欣.斷面形式對水電站節理隧洞穩定性的影響[J].人民黃河，2017，39（2）：120-122.

[2] 楊繼華，齊三紅，楊風威，等.CCS水電站輸水隧洞工程地質條件分析與處理[J].人民黃河，2019，41（6）：94-98.

[3] 鄒紅英，梁成彥，吳昊.CCS水電站地下洞室群圍巖穩定關鍵技術研究[J].人民黃河，2019，41（7）：116-120.

[4] 唐建立.淺成基性侵入輝綠巖固結灌漿分析[J].中國農村水利水電，2019（8）：129-132.

[5] 鄧聲君，陸曉敏，黃曉陽.地下洞室圍巖穩定性分析方法簡述[J].地質與勘探，2013，49（3）：541-547.

[6] 曲海珠，姚鵬程.常用洞室圍巖分類方法相關性及其應用[J].地下空間與工程學報，2017，13（增刊2）：732-735.

[7] 李海波，楊興國，趙偉，等.基于三維激光掃描的隧洞開挖襯砌質量檢測技術及其工程應用[J].巖石力學與工程學報，2017，36（增刊1）：3456-3463.

[8] 李志鵬，徐光黎，董家興，等.猴子巖水電站地下廠房洞室群施工期圍巖變形與破壞特征[J].巖石力學與工程學報，2014，33（11）：2291-2300.

[9] 朱義歡，邵國建.地下洞室圍巖短長期穩定性的評判準則綜述[J].地下空間與工程學報，2013，9（增刊2）：2093-2098.

[10] 李璐，陳秀銅.大型地下洞室開挖支護彈塑性損傷有限元分析[J].人民黃河，2017，39（8）：95-99.

[11] 董志宏，鈕新強，丁秀麗，等.烏東德左岸地下廠房洞室群施工期圍巖變形特征及反饋分析[J].巖土力學，2018，39（增刊2）：326-336.

[12] 聶衛平，石崇.基于安全系數的大型地下洞室襯砌優化研究[J].地下空間與工程學報，2013，9（4）：813-818.

[13] 孟國濤，侯靖，陳建林，等.巨型地下洞室脆性圍巖高應力破裂防治措施研究[J].地下空間與工程學報，2019，15（1）：247-255.

[14] 秦之勇，高錫敏，成傳歡，等.地下水封石洞油庫錨噴支護結構承載特性分析[J].長江科學院院報，2019，36（5）：149-154.

[15] 余周武，王小威.考慮層狀巖體各向異性強度的地下廠房穩定分析[J].人民長江，2018，49（11）：57-63.

[16] 李建賀，盛謙，朱澤奇，等.脆性巖體開挖損傷區范圍與影響因素研究[J].巖土工程學報，2016，38（增刊2）：190-197.

[17] 溫森，劉予會，楊圣奇，等.基于Hoek-Brown準則的圓形洞室圍巖流變變形研究[J].現代隧道技術，2016，53（3）：63-67.

[18] 唐建立，朱翠民，史恒，等.高水頭壩基裂隙巖體滲流穩定分析[J].人民黃河，2019，41（9）：123-128.

[19] 任文明，崔煒，張安，等.離散單元法在地下洞室圍巖穩定性分析中的應用研究[J].地下空間與工程學報，2013，9（增刊2）：1916-1921.

【責任編輯 張華巖】

收稿日期：2019-12-24

基金項目：河南省水利科技攻關計劃項目（GG201707）

作者簡介：趙健倉（1967—），男，河南方城人，高級工程師（教授級），主要從事水利工程勘察方面的研究工作

通信作者：來光（1971—），男，河南洛陽人，高級工程師（教授級），主要從事水利工程勘察方面的研究工作

E-mail：13643813587@163.com