超前預固結灌漿調壓井施工期圍巖穩定的影響研究

王晨輝

（新疆建源工程有限公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

某水電站為引水式電站，其調壓井為開敞圓筒阻抗式，開挖直徑31 m，襯砌內徑27 m，井筒總高度為108.2 m，底板高程為1 211.0 m，井筒頂高程為1 319.2 m，地面高程約為1 325.0 m。

1.2 模型建立

1.2.1 邊界條件

結合彈性力學與巖體力學，對于圓洞，可取洞徑的3～5 倍為計算范圍，根據所處地形地質資料以及調壓井布置、設計情況，模型的外周邊界以調壓井底部中心為原點，向x、y正負方向各延伸120 m，模擬的最大深度為350 m。其高程范圍為1 080.0～1 430.0 m，即底邊界到井底的垂直距離為131 m，簡易模擬地形與巖層，認為調壓井1 260.0 m高程以上為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，1 260.0 m高程下為Ⅲ類圍巖，未考慮斷層與裂隙的對圍巖穩定的影響[1]，采用理想彈塑性材料本構關系及D-P 屈服準則建立三維有限元模型（見圖1）。

圖1 有限元模型

1.2.2 計算參數

依據工程地質勘察及設計成果，按國內水利水電工程圍巖分類方法，并結合混凝土材料力學性質，確定各類巖體和混凝土材料的物理力學參數建議值（見表1）。

表1 材料物理力學參數

1.2.3 計算方案

對Ⅳ～Ⅴ類圍巖超前預固結灌漿后開挖成井，不采取任何支護措施。固結灌漿影響范圍為開挖邊線外7 m。

2 計算結果

2.1 預處理后圍巖位移特性

井壁Ⅳ～Ⅴ類圍巖未經固結灌漿處理，采取20 cm鋼纖維混凝土噴層支護加2.5 m厚混凝土二次襯砌，井壁附近圍巖穩定性仍很差，徑向位移最大值為304 mm（見圖2），最大等效塑性應變為0.024，故采取超前固結灌漿措施，處理后，Ⅳ～Ⅴ類圍巖彈性模量增大到2.94 GPa，相應的黏聚力，摩擦角都有所提高。固結灌漿影響范圍為開挖邊線外7 m。

圖2 支護后井壁附近圍巖的徑向位移、塑性應變云圖

（1）預處理后圍巖位移特性所取代表斷面東北-西南走向的斷面（即沿山脊線走向的斷面）徑向與豎向位移等值線圖見圖3。

圖3 無支護情況下代表斷面徑向位移等值線圖

由天然應力引起的位移在洞室開挖前已經完成，故開挖后圍巖位移主要是重分布應力與天然應力之差引起的。從整體分析，沿東北-西南走向，研究范圍內圍巖的徑向位移向井內收斂，沿井壁徑向向外呈現遞減趨勢，在調壓井底部部分位移向井外。其中，徑向位移較大值出現在井筒附近及開挖平臺上部山體表面，與無任何支護措施相比，最大位移值向下轉移，出現在1 260.0 m 高程以上10～25 m范圍內，最大值為25.8 mm，在圍巖位移允許范圍內。大部分巖體發生向下的豎向位移，在調壓井井口處出現最大值，為33.8 mm。調壓井底部因開挖掌子面的存在，圍巖向上隆起，產生向上的較小鉛垂位移。

（2）施工完成后，典型高程井壁附近圍巖徑向位移特征圖見圖4。由圖4 可知，調壓井開挖使圍巖產生一定的變形。在只考慮自重初始應力場的情況下，水平徑向位移最大值出現在井壁處圍巖。由于地形不對稱，調壓井附近，東北側與西南側圍巖位移向井內收斂，呈現內陷現象，東南側和西北側從上部向井外位移過渡到井內位移。其中，圍巖位移最大為東北向，其次為東南方向和西北向，西南側位移最小。圍巖的變形也反映了調壓井圓形斷面開挖整體拱效應。東北向圍巖位移之所以較大且向井內位移，在于山體地形較高，應力較大，臨空面形成時，作用在其上的荷載也較大，產生的位移量相應變大。在山體單薄地表處、井口處及不同圍巖介質交界面附近范圍出現較大變形區，井內位移主要沿著山脊線的方向，井外位移基本垂直于山脊線方向。調壓井徑向井內位移位移最大值出現在1 260.0 m高程以上斷面的井壁處，井外位移最大值出現在井口附近處。

圖4 典型高程斷面徑向位移等值線圖

（1）1 319.2 m 高程以上圍巖較差，山體相對單薄，產生的位移相應也較大。故上部山體開挖形成調壓井井口平臺時，應對開挖面進行處理。

（2）1 260.0 m高程處圍巖徑向位移向自由面方向發展，因隨著深度的增大，地形影響逐漸削弱，圍巖變形主要受開挖的影響。

（3）1 211.0 m 高程位移很小，因該高程圍巖巖性較好，深度較大，受上部開挖影響較小。

同一高程處調壓井井壁附近圍巖各向的位移隨著開挖深度的增大而變大，表明下層開挖引起上部圍巖繼續變形。但開挖影響范圍有限，1 319.0 m高程圍巖位移在前幾步開挖位移變化很大，增幅隨著開挖的進行，逐漸減小，最終位移趨于穩定。1 255.0 m 高程圍巖位移在前幾級開挖產生位移很小，當在自身高程開挖步時，位移增幅最大。此外，下部圍巖特性較優，位移增幅受開挖影響低于上部圍巖受影響程度。圍巖固結灌漿處理后，整體位移值變小，與未灌漿處理圍巖開挖完成后產生位移相比，圍巖變形大大減小，處于圍巖穩定要求所允許的范圍內。

綜上所述，井壁處圍巖徑向與豎向位移最顯著，整體圍巖位移自上而下呈遞減趨勢。隨著開挖的進行，圍巖產生的位移逐漸增大，但是圍巖位移的增幅在減小。最終，圍巖位移值不是很大，不會發生水平向位移破壞。固結灌漿對1 260.0 m 高程以上井壁圍巖變形改善作用顯著，1 260.0 m高程以下圍巖雖未進行灌漿處理，但因上部圍巖的改善，受影響減小，產生位移相應變小。可見對于地質條件復雜、規模較大的調壓井工程，施工過程中單純的支護不足以維持圍巖的穩定，需采用灌漿手段控制圍巖的變形量。

2.2 圍巖應力特征

一旦開挖，形成臨空面后，井壁初始應力釋放，造成圍巖應力重分布，產生二次應力，井周圍巖多次應力場具有以下特性：開挖結束后，1 319.2 m 高程以上圍巖主應力以壓應力為主；1 260.0 m高程以上調壓井開挖影響范圍大于井周部分圍巖厚度，其應力等值線不僅受開挖影響，還因圍巖厚度不等，出現應力等值線不對稱分布現象，另外在山體表面、井口處、圍巖交界面處，井底出現拉應力，最大值約0.55 MPa；1 260.0 m 高程以下圍巖較好，應力等值線較簡單，主要受開挖影響；高程1 211.0 m 調壓井底部因開挖面存在，出現拉應力區，拉應力值不是很大。

應力計算可知，井壁附近圍巖第一主應力在井口處出現拉應力，在井周一定范圍內，徑向應力釋放，壓應力比初始應力減小，環向應力比初始應力增大。1 290.0 m高程以上井壁圍巖有拉應力出現，1 290.0 m 高程以下井壁圍巖主要以壓應力為主。因1 260.0 m高程井壁處于不同圍巖介質交界處，井底有開挖面存在的緣故，1 260.0 m高程井壁與井底局部圍巖出現拉應力，但拉應力值不大。

2.3 圍巖塑性區

由于應力作用，使得圍巖進入塑性狀態。最先進入塑性狀態單元是在井口上部山體表面及1260 m 高程以上10～30 m 處井壁巖體，井壁處于長條形單薄山脊中，上部圍巖較破碎，同時上部井壁圍巖較單薄，故塑性區發展較大，最大值為0.0 033。隨著開挖的進行，東北側井壁首先出現塑性應變，并向下發展，最后擴展到1 260.0 m高程部位。圍巖應變沿環向擴展到西北側與東南側，徑向向更深的圍巖發展。上部井筒附近圍巖等效塑性應變等值線圖見圖5，受巖性的影響，1 260.0～1 319.2 m 高程井筒塑性區發育，尤其是在西北側與東南兩側；1 260.0 m高程以下井筒圍巖開挖后，只在高邊坡側出現塑性屈服，且塑性應變很小。可見，經過加固處理，圍巖產生的塑性應變得到很好的改善。圍巖變形最大屈服區發生在1 265.0 m高程處井壁，深度在10 m以上。1 260.0 m 高程以上25 m 內井壁附近圍巖塑性應變超過塑性應變控制標準，故在該部位應進行支護來約束塑性應變的發展。

圖5 上部井筒附近圍巖等效塑性應變等值線圖

3 結論

（1）井壁處圍巖徑向與豎向位移最顯著，整體圍巖位移自上而下呈遞減趨勢。隨著開挖的進行，圍巖產生的位移逐漸增大，但是圍巖位移的增幅在減小。最終，圍巖位移不是很大，不會發生水平向位移破壞。

（2）井壁Ⅳ～Ⅴ類圍巖超前預固結灌漿加固后，圍巖位移、塑性應變大大減小，可見軟弱區巖體灌漿處理對保證圍巖的穩定是十分必要的，一定程度上也表明圍巖自身性質對其穩定性起重要作用。