大型地下洞室群開挖圍巖損傷演化特征研究★

廖 果，馬 建，李小強，稅政文，毛浩宇

(1.中國水利水電第七工程局有限公司第三分局，四川 成都 611730；2.四川大學，水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引言

地下洞室開挖損傷的實質，是指開挖臨空面周圍巖體在開挖卸荷作用下，細觀結構缺陷(如微裂紋、微孔隙等)萌生、擴展等，圍巖力學性能劣化。如果損傷區巖體支護措施滯后或支護參數選取不當，在外界荷載作用下，損傷巖體可能進一步劣化，增加了地下洞室局部失穩的風險。對于地下洞室開挖損傷和穩定問題，國內外學者采用不同方法進行了相關研究。加拿大、瑞典等國家[1-3]針對放射性核廢料的地質儲藏的安全評價，開展了大量開挖損傷區的現場試驗和監測工作。T.Sato等[4]在日本中部Tono礦區開展了關于EDZ的現場試驗研究；陳明等[5-7]采用數值模擬方法，分析了多種荷載作用下深埋隧洞的損傷特性；朱澤奇等[8]以大崗山水電站地下廠房圍巖變形和聲波監測成果為基礎，研究了大崗山水電站地下廠房開挖損傷區的分布范圍和損傷劣化特征，建立基于正交設計-支持向量機-粒子群算法的反演分析方法；劉寧等[9-10]結合聲波測試、鉆孔電視和數值計算方法研究了錦屏二級深埋引水隧洞開挖損傷區特征；朱維申等[11]針對錦屏一級水電站地下廠房圍巖變形破裂，進行三維損傷流變分析并評價其穩定性。上述研究多基于常規監測或模擬結果界定損傷區的范圍或揭示損傷區域的應力、位移場特征，而對圍巖動態損傷演化過程、破裂模式的分析較少。地下洞室開挖損傷演化規律是圍巖支護和風險預測的基礎，只有明確和掌握圍巖損傷的動態演化規律，才能有針對性地采取支護措施和風險防范措施。

RFPA(Realistic Failure Process Analysis)數值計算軟件[12-13]能夠模擬圍巖裂隙的萌生、發育、擴展、貫通直至失穩破壞的整個過程，并根據聲發射部位應力特征給出該處破壞形式。RFPA在模擬實際工程邊坡[14-16]、深埋隧洞[17-18]的損傷破壞過程中已有諸多應用。本文以猴子巖水電站深埋地下廠房為研究對象，采用RFPA強度折減法，對三大洞室的開挖過程進行模擬計算，并與微震實時監測結果對比分析，重點研究地下廠房開挖過程的損傷演化及失穩破壞機制，旨在為本工程以及同類地下洞室工程開挖支護、穩定評價提供參考。

1 RFPA強度折減法

RFPA是一款能演化巖石漸進破壞失穩過程的軟件[19-20]。該軟件在數值計算時兼顧了材料的非均勻性，是一款利用連續介質力學方法演化非連續介質力學問題、利用非均勻性演化非線性的分析材料破裂過程的數值分析軟件。RFPA基于細觀基元賦值以及細觀統計損傷模型，在文獻[21]中進行了詳細的敘述。把巖石材料離散成適當尺度的細觀基元，引入Weibull統計分布函數描述巖石材料基元的空間非均勻性，即：

(1)

其中，α為巖體基元力學性質參數；φ(α)為α的統計分布密度；m為巖石介質均質性的函數形狀參數，m越小，反映材料越不均勻；α0為α的平均值。RFPA采用簡單彈性損傷本構模型，達到破壞條件前，單元維持線彈性力學性質不變。隨著基元應力的增加，最大拉應力準則和Mohr-Coulomb準則將分別作為基元破壞的判定依據。巖石材料破壞計算過程中，首先考慮拉伸破壞，如果達到基元拉應力破壞值時，基元發生拉伸破壞；如果沒有出現拉伸破壞，則采用Mohr-Coulomb準則考察基元是否產生剪切破壞，破壞后的基元按設定的殘余強度系數繼續承受一定荷載。

RFPA強度折減法是在有限元計算過程中將巖土體諸如抗壓、抗剪強度等參數進行分步折減直到其達到破壞狀態，即將細觀基元的強度參數按照一定線性關系進行逐漸折減，并將每一次折減后參數重新代入有限元軟件進行迭代計算，判斷是否達到破壞狀態。通過強度折減直至地下廠房發生模型宏觀失穩破壞，可求得地下廠房模型的強度儲備安全系數和滑動破壞面[22]。程序自動記錄每個折減步的應力、變形以及聲發射(AE)結果，基于每個折減步的參數變化特征，分析巖石損傷破壞的演化特征。

2 地下廠房開挖圍巖漸進損傷模擬

2.1 模型建立及參數選取

猴子巖水電站地下廠房水平埋深280 m～510 m，垂直埋深400 m～660 m，廠區地應力偏高，且主廠房下游側多個斷層相互交錯，開挖強卸荷過程中圍巖的穩定性較差，松弛變形、片幫、巖爆問題突出。計算模型選取2號機組斷面附近圍巖穩定性較差的K0+60樁號為代表剖面模擬分析，該斷面洞室布置、尺寸、分層開挖步驟以及地質構造見圖1[23]，模型尺寸200 m×300 m，共劃分單元數目240 000個。對廠區地應力測試成果線性擬合，對模型施加梯度應力，計算過程強度折減系數取0.02。廠區圍巖以Ⅲ類為主，圍巖及結構面力學參數見表1[24]。

表1 圍巖及結構面力學參數

2.2 數值計算結果分析

2.2.1 開挖過程中的損傷演化

地下廠房開挖數值計算參考圖1所示的分層開挖順序，同時對巖體強度參數折減。圖2為模擬得到的地下廠房8層開挖期間聲發射分布，Ⅰ步～Ⅷ步開挖對應荷載折減步(Step)2～9，其中，白色圓圈表示剪切破壞，黑色圓圈表示本步前已出現的破壞，其余圓圈表示拉伸破壞。圖3為開挖各步對應的聲發射以及能量釋放情況。

地下廠房Ⅰ層～Ⅱ層開挖期間，圍巖整體擾動相對較小，主廠房下游側fm1斷層受到輕微擾動，局部產生剪切破壞，聲發射數量和能量釋放較少。第Ⅲ層開挖以后，主廠房下游側fm1，fm4，fm5斷層活動，該區域出現較多聲發射，破壞形式以剪切為主，卸荷誘發靠近邊墻區域一定數量的拉伸破壞。第Ⅴ層～第Ⅵ層開挖期間圍巖損傷最大，聲發射數量和釋放能量急劇增加，主廠房下游側斷層fm3以及f1-1-3應力集中明顯，斷層活動導致圍巖內部大量剪切破壞，引起邊墻表面大的變形，同時主廠房下游側巖錨梁及拱肩區域圍巖松弛張拉變形破壞，模擬結果與現場破壞現象較為吻合(見圖4)。此外，隨著開挖高度的增加，第Ⅴ層～第Ⅵ層開挖階段主廠房和尾調室的底板回彈變形較大，出現一定數量的張拉破壞。第Ⅶ層～第Ⅷ層開挖過程中聲發射事件數量有所減少，但巖體中仍積聚大量彈性能，巖體破裂能量釋放仍然較大，主廠房和尾調室除底板回彈變形外，頂拱松弛深度也在擴展。

洞室開挖過程中圍巖損傷特征表明，圍巖損傷隨著開挖高度而逐漸累積。由于高地應力、高邊墻、大跨度、多斷層交匯等特征，開挖過程中主廠房下游側斷層面已形成局部損傷破壞區，因此，該區域開挖完成后，應及時采取錨噴等支護措施，必要時對裂隙發育位置固結灌漿，增加斷層區域的巖體強度和完整性。

2.2.2 潛在失穩區的形成

洞室開挖完成后，繼續折減巖體強度，以獲取裂隙發育、擴展、貫通至整體失穩破壞的損傷演化全過程，計算結果如圖5所示。隨著折減步數的增加，巖體損傷繼續發育、擴展，已產生局部損傷破壞的主廠房和主變室之間的斷層區域應力進一步集中，最終出現f1-1-3,fm5,fm4共同控制的傾向主廠房下游側的剪切滑移面，斷層滑移導致局部傾向主變室上游側的潛在滑移面的產生。開挖過程中出現拉伸破壞的主廠房下游側巖錨梁至頂拱之間圍巖和尾調室頂拱也出現區域性破壞。

與斷層區的圍巖開挖時裂隙即開始發育不同，主變室與尾調室之間的巖體加載至第27步左右裂隙開始萌生，隨后逐漸發育、擴展直至第32步裂隙貫通。洞室開挖卸荷以后應力重分布，斷層區的軟弱巖體強度相對較低，容易出現應力集中從而導致巖體破裂的萌生、發育，而主變室和尾調室之間的巖體較完整，強度較高，開挖卸荷引起的局部應力集中不足以導致大范圍的損傷破壞，巖體出現失穩破壞的可能性相對較小。

3 數值模擬與微震監測對比

猴子巖水電站地下廠房微震監測系統于2013年4月12日運行，截止到2014年6月21日，成功實現地下廠房Ⅲ層～Ⅵ層開挖過程中的三維實時監測，再現了圍巖開挖損傷的演化過程[25]。由模擬結果可知，地下廠房開挖誘導的聲發射聚集區域是具有潛在失穩風險的重要區域，因此，微震事件的聚集和演化規律可作為圍巖穩定性評價的重要依據。

選取2號機組斷面附近K0+55～K0+75樁號之間的圍巖區域作為研究對象(如圖6所示)，圖7為第Ⅵ層開挖完成后微震事件與模擬得到的聲發射分步對比，其中，圓球代表微震事件，球體顏色和大小分別代表微震的矩震級和能量。從圖7(a)可以看出，主廠房下游側巖錨梁至頂拱區域和fm3，fm4，fm5以及f1-1-3斷層交匯處是最主要的損傷區；另外，fm1，fm4，f1-1-3斷層活動產生的微震事件形成條帶狀的分布；尾調室頂拱在開挖過程中也出現輕微損傷。圖7(b)為地下廠房第Ⅵ層開挖完成后模擬得到的聲發射分布，與圖7(a)中微震監測反映的圍巖損傷區域基本一致。

微震事件的參數特征不僅代表開挖卸荷對圍巖損傷的影響，也反映開挖完成后外界荷載擾動及圍巖力學性質具有的流變特性，可作為圍巖潛在失穩的重要參考。圖8(a)是地下廠房開挖過程中的地震變形云圖，變形主要集中在主廠房巖錨梁下游側及下游邊墻斷層區域，尤其是開挖臨空面附近，變形量較大；從圖8(b)地下廠房的能量密度看，巖石微破裂釋放能量主要聚集在主廠房下游側多個斷層下面的交匯區及下游拱肩，第Ⅴ層開挖過程中該區域出現大量震級高、能量大的微震事件，微震震源參數特征反映的圍巖主要損傷區與RFPA模擬結果得到的失穩區域較為一致，如圖8(c)所示。

結合微震事件的空間分布特征與RFPA計算結果，需加強主廠房下游側頂拱及斷層控制區的支護，避免損傷演化擴展；另外，雖然主變室與尾調室之間圍巖暫時損傷較輕，但隨著尾調室下階段的開挖，高邊墻逐漸形成，應重點關注可能形成的潛在失穩滑動面，并減小施工對該區域的擾動。

4 結論

本文以猴子巖水電站地下廠房為研究對象，采用RFPA強度折減法數值模擬和現場微震監測手段，揭示了地下廠房圍巖開挖過程中的損傷演化特征，得出以下認知：

1)猴子巖水電站地下廠房開挖至Ⅴ層～Ⅵ層，聲發射數量最多且能量釋放最大，導致主廠房分層開挖階段較嚴重的圍巖損傷，損傷主要位于主廠房下游側頂拱以及斷層交匯區域。

2)地下洞室開挖完成以后，隨著圍巖力學參數降低，主廠房下游側斷層區裂隙將進一步發育，形成多個斷層控制的潛在滑動面，易導致圍巖失穩破壞；主廠房下游側頂拱和尾調室頂拱卸荷損傷演化為區域性松弛破壞；主變室與尾調室之間的圍巖在開挖過程中損傷較小，隨著巖體強度降低，裂隙可能不斷發育、擴展，但整體安全系數相對較大。

3)微震監測結果顯示，微震事件多數分布在斷層周圍，分布特征與斷層產狀大致擬合，在斷層交匯處明顯增多，開挖卸荷誘導了地下廠房斷層區圍巖損傷，微震參數特征揭示的潛在失穩區與數值模擬結果基本一致。