楊繼華，肖培偉，朱澤奇，王 帥

(1.中國(guó)科學(xué)院 a.武漢巖土力學(xué)研究所;b.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071;2.國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，成都 610041)

在進(jìn)行山區(qū)水電站建設(shè)時(shí)，由于地形條件限制，電站廠房一般采用地下開(kāi)挖，形成地下巖體洞室群。由于巖體是一種非均質(zhì)、非連續(xù)介質(zhì)，在地下洞室圍巖中會(huì)存在斷層、節(jié)理和巖脈等不利結(jié)構(gòu)面，在開(kāi)挖過(guò)程中，如施工工藝不合理、支護(hù)措施不及時(shí)，容易出現(xiàn)塌方［1－6］，會(huì)對(duì)施工進(jìn)度、安全造成嚴(yán)重影響，針對(duì)此問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)地下洞室塌方形成機(jī)理以及預(yù)防、治理措施進(jìn)行了研究，得出一些有益的結(jié)論［7－12］。

本文以大崗山水電站地下廠房第一層開(kāi)挖施工過(guò)程中頂拱的塌方及其支護(hù)加固為研究背景，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，通過(guò)有限差分程序FLAC3D建立數(shù)值分析模型，分析支護(hù)加固效果以及后續(xù)開(kāi)挖施工對(duì)塌方區(qū)穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質(zhì)條件

大崗山水電站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉縣境內(nèi)。壩區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，自然坡度一般40°～65°，相對(duì)高差一般在600 m以上。電站裝機(jī)容量2 600 MW。地下廠房洞室群由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室及母線洞、尾水連接洞等組成。主副廠房、主變室和尾水調(diào)壓室平行布置。主廠房的開(kāi)挖尺寸為長(zhǎng)206.00m，寬30.80m，高73.78m;主變室的開(kāi)挖尺寸為長(zhǎng)144.00m，寬18.80m，高25.10m;尾水調(diào)壓室開(kāi)挖尺寸為長(zhǎng)130.00m，寬20.50～24.00m，高75.08m。

地下廠房區(qū)基巖以灰白色、微紅色黑云二長(zhǎng)花崗巖(γ24－1)為主，具中粒結(jié)構(gòu)，廠區(qū)巖體新鮮較完整，呈塊狀－次塊狀結(jié)構(gòu)，巖塊嵌合緊密。無(wú)區(qū)域斷裂切割，構(gòu)造形式以沿巖脈發(fā)育的擠壓破碎帶、斷層和節(jié)理裂隙為特征。廠區(qū)較大規(guī)模的軟弱結(jié)構(gòu)面主要有f56－f60斷層穿過(guò)廠房洞室群區(qū)。地下廠房區(qū)巖脈以輝綠巖脈分布較多，延伸較長(zhǎng)的巖脈有β6、β9、β80、β81、β100、β101、β163 和β164 等，其中β80巖脈在地下廠房區(qū)延伸較長(zhǎng)，規(guī)模相對(duì)較大，對(duì)地下廠房圍巖的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利影響。

2 主廠房塌方區(qū)地質(zhì)調(diào)查

2008年12月16日主廠房在第一層開(kāi)挖過(guò)程中突然發(fā)生塌方，根據(jù)鉆孔測(cè)試結(jié)果，塌方后形成空腔，塌腔形狀似一倒置的偏向廠房左側(cè)的不規(guī)則的葫蘆狀［2］。塌腔孔口長(zhǎng)約14.0 m(樁號(hào)廠(橫)0+133 至0+147)，寬約7.5 m(樁號(hào)廠(縱)0－4.0至0－11.5)，高程約989.8～991.6 m;塌腔中部長(zhǎng)約22 m(樁號(hào)廠(橫)0+125 至0+147)，寬18.4 m(廠(縱)0+3.5至 0－14.9)，高程在1 005～1 010 m;塌腔頂部逐漸變小，塌腔總高度約33.0 m。塌腔沿β80巖脈走向分布，在巖脈上盤(pán)破碎帶較寬，下盤(pán)較窄;塌方堆積體在巖脈上盤(pán)巖塊粒徑較大，一般為20～40cm，少量有80～100cm;在下盤(pán)塌有碎石土，土砂占70%～80%，小巖塊粒徑為10～20cm，量較小;塌腔處無(wú)地下水，破碎巖塊表面潔凈，稍粗糙，新鮮，弱風(fēng)化。腔內(nèi)殘留破碎巖體位于從孔口以上14～20 m之間，塌方體總量約為3 500 m3。塌方空腔及破碎帶剖面如圖1所示。

圖1 破碎帶塌方空腔剖面Fig.1 Section of crushed zone and collapse hollow

3 支護(hù)措施及數(shù)值模型建立

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

目前，巖體地下洞室塌方支護(hù)加固處理主要有以下幾種措施:回填灌漿、鋼拱支撐、預(yù)應(yīng)力錨索加固、噴射混凝土等。通常根據(jù)塌方的實(shí)際情況，選擇其中的一種或幾種措施組合。

根據(jù)主廠房塌方區(qū)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了先灌漿強(qiáng)化塌方區(qū)破碎帶，再用預(yù)應(yīng)力錨索+型鋼拱撐支護(hù)的加固措施。共布置各類預(yù)應(yīng)力錨索43根，其中A型長(zhǎng)24 m，B，C，F(xiàn)，G，H，I型長(zhǎng)30 m，D 型長(zhǎng)40 m，E型長(zhǎng)20 m，各型預(yù)應(yīng)力錨索均為拉力集中型端頭錨，張拉噸位為150 t。錨索布置如圖2所示。

圖2 頂拱錨索平面圖Fig.2 The plan of top arch cable

3.2 數(shù)值分析模型

為研究主廠房破碎帶塌方空腔支護(hù)加固效果，本文利用有限差分程序FLAC3D建立三維數(shù)值分析模型，如圖3所示。取廠房軸線的垂直方向?yàn)閤軸，方向?yàn)镾E35°，主廠房機(jī)組中心線為x向0點(diǎn)，即廠(縱)0+0.00;取廠房軸線方向?yàn)閥軸，方向?yàn)镹E55°，廠(橫)0+0.00為y向 0 點(diǎn);豎直向上為z軸。計(jì)算區(qū)域x向:－300～300 m;y向:－200～400 m;z向:700 m高程至地表面。模型區(qū)域離散為226 933個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 313 997個(gè)四面體單元。研究中主要關(guān)注β80巖脈(見(jiàn)圖4)和主廠房滑體區(qū)(見(jiàn)圖5)。支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖6、圖7。

圖3 數(shù)值分析模型網(wǎng)格Fig.3 Meshes of numerical analysis model

圖4 β80巖脈與洞室空間關(guān)系圖Fig.4 The spatial relation between β80 dyke and cavern

圖5 主廠房塌方體Fig.5 Collapse at the main powerhouse

圖6 廠橫(樁號(hào)0+135)剖面支護(hù)模型Fig.6 Model of the support at 0+135m cross section

圖7 拱撐支護(hù)模型Fig.7 Model of the steel arch support

根據(jù)地下廠房圍巖的力學(xué)特性，選取彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，根據(jù)各類巖體的力學(xué)特性，巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算采用值見(jiàn)表1。地下廠房區(qū)巖體大部分是Ⅱ類圍巖;主變室附近區(qū)域分布有Ⅲ類圍巖;斷層、巖脈等軟弱結(jié)構(gòu)面參數(shù)?、躅悋鷰r;塌方體碎石區(qū)經(jīng)灌漿強(qiáng)化后強(qiáng)度等級(jí)提高，在數(shù)值計(jì)算中按Ⅳ類圍巖力學(xué)參數(shù)取值。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock masses

預(yù)應(yīng)力錨索采用FLAC3D程序中Cable單元模擬，內(nèi)錨段采用錨段元來(lái)模擬，自由段采用施加一對(duì)集中力模擬。型鋼拱撐采用Beam單元模擬［13］。

依據(jù)對(duì)初始地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料所作的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為在工程范圍內(nèi)初始應(yīng)力場(chǎng)隨埋深線性分布。根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果，垂直地下廠房軸線方向(x)側(cè)壓力系數(shù)kx為0.86;地下廠房軸線方向(y)側(cè)壓力系數(shù)ky為1.68。以此為基本分析參數(shù)，模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)，其中，全強(qiáng)弱風(fēng)化層按自重應(yīng)力場(chǎng)施加，微新巖體鉛直向(z)應(yīng)力按自重應(yīng)力場(chǎng)施加，x向與y向應(yīng)力按側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行施加。

4 計(jì)算結(jié)果分析

在巖體地下洞圍巖穩(wěn)定性分析中，圍巖的變形、應(yīng)力及塑性區(qū)等特性是衡量圍巖所處狀態(tài)的重要指標(biāo)。本文選取廠橫0+135 m剖面為典型分析剖面，在分析主廠房各關(guān)鍵部位的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)以及錨索內(nèi)力的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)塌方區(qū)的支護(hù)加固效果和主廠房在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性。

4.1 變形分析

圖8為主廠房各關(guān)鍵部位隨施工步驟的位移曲線。由圖9可知，塌方后頂拱碎石區(qū)變形較大，至中部開(kāi)挖完成后，碎石區(qū)最大變形量達(dá)151.3mm。從塌方至中部開(kāi)挖完成，頂拱其它關(guān)鍵部位位移變化不大，變形增加均在3mm以內(nèi)，說(shuō)明施加支護(hù)對(duì)滑體周邊區(qū)域變形起到了較好的控制作用;碎石區(qū)變形在施加支護(hù)及灌漿強(qiáng)化后也得到有效控制，但主廠房的進(jìn)一步開(kāi)挖對(duì)其變形發(fā)展有一定影響，變形量值約5mm;邊墻變形主要是在上部開(kāi)挖、中部開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)展較快。

圖8 主廠房監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工步驟-位移曲線Fig.8 Curves of the construction process vs.displacement of monitoring points at the main powerhouse

為了驗(yàn)證本次計(jì)算的可靠性，圖9將頂拱中部位移計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。由圖可知，中部開(kāi)挖完成后，頂拱中心多點(diǎn)位移計(jì)孔口位置測(cè)到的總位移為42.3mm，而計(jì)算值為30.6mm，兩者相差11.7mm，這主要是因?yàn)樗角謇頃r(shí)進(jìn)行了錨索及灌漿鉆孔施工，對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生一定程度的變形，而數(shù)值計(jì)算則未考慮到這一點(diǎn)，但總的來(lái)說(shuō)，計(jì)算位移值基本上與實(shí)際監(jiān)測(cè)位移值相符，這也從一定程度上說(shuō)明了數(shù)值模型及參數(shù)選擇的合理性。

圖9 頂拱位移(計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值)Fig.9 The top arch displacements(calculation values and monitoring values)

4.2 應(yīng)力分析

圖10為頂拱最大主應(yīng)力-開(kāi)挖施工步驟關(guān)系曲線。由圖可知，支護(hù)強(qiáng)化后，碎石區(qū)圍巖主應(yīng)力分布變化不大，隨著主廠房繼續(xù)開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力卸荷調(diào)整，錨索、拱撐等與圍巖相互作用，滑體附近巖體應(yīng)力分布趨向均勻，主要承受壓應(yīng)力，量值為1.5MPa左右。圖11給出了主廠房拉應(yīng)力區(qū)-開(kāi)挖施工步驟圖。由圖可知支護(hù)強(qiáng)化后，碎石區(qū)附近出現(xiàn)較大拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力約為0.56MPa，隨著后續(xù)開(kāi)挖的進(jìn)行，拱頂拉應(yīng)力區(qū)基本消失，至中部開(kāi)挖完成，拱頂碎石區(qū)應(yīng)力分布繼續(xù)向有利方向調(diào)整，拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)而在邊墻中部出現(xiàn)。

圖10 頂拱最大主應(yīng)力-開(kāi)挖施工步驟曲線Fig.10 Curves of maximum principal stress vs.top arch excavation process

圖11 主廠房拉應(yīng)力區(qū)-開(kāi)挖施工步驟圖Fig.11 The main excavation progress and the corresponding tensile stress areas at the main powerhouse

4.3 塑性區(qū)分析

圖12為主廠房塑性區(qū)分布-開(kāi)挖施工步驟圖，由圖可以看出，由于β80巖脈切割及滑體坍塌，主廠房頂拱塑性區(qū)向上延伸與塌方體貫通，其破壞形式以剪切破壞為主，頂拱碎石區(qū)附近圍巖產(chǎn)生拉伸破壞;碎石區(qū)灌漿強(qiáng)化及頂拱施加支護(hù)后，塑性區(qū)范圍得到有效控制;上部、中部開(kāi)挖完后，頂拱塑性區(qū)范圍變化不大，沒(méi)有因?yàn)殚_(kāi)挖造成塑性區(qū)的迅速發(fā)展。

4.4 錨索內(nèi)力分析

圖13為中部開(kāi)挖完后錨索應(yīng)力圖，可以看出中部開(kāi)挖完成后，拱腳錨索應(yīng)力偏大，最大值達(dá)237MPa;塌方體附近錨索應(yīng)力明顯偏小，應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度未達(dá)到錨索端部;圖14給出了廠橫樁號(hào)0+135剖面拱腳部位的某根錨索的內(nèi)力與深度關(guān)系曲線?？梢钥闯鲥^索的內(nèi)力分布由自由端到錨固端呈遞減趨勢(shì)，隨著后續(xù)開(kāi)挖的進(jìn)行，到中部開(kāi)挖完成，錨索內(nèi)力增大并向深部傳遞;相對(duì)而言，塌方體附近錨索錨固端應(yīng)力變化較小并趨于穩(wěn)定，本文限于篇幅沒(méi)有將數(shù)據(jù)一一列出。

圖12 主廠房塑性區(qū)-開(kāi)挖施工步驟Fig.12 The excavation progress and the corresponding plastic zone distribution in the main powerhouse

圖13 中部開(kāi)挖完后錨索應(yīng)力圖Fig.13 The maximum cable stress after the excavation in the middle

圖14 廠橫樁號(hào)0+135剖面拱腳部位錨索內(nèi)力-深度曲線Fig.14 Curves of cable stress vs.depth at the arch foot of 0+135m cross section

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大崗山水電站主廠房頂拱塌方區(qū)的地質(zhì)調(diào)查，建立塌方體三維數(shù)值模型，并選定典型分析剖面，研究了設(shè)計(jì)支護(hù)措施對(duì)塌方區(qū)的加固效果，并分析了后續(xù)開(kāi)挖對(duì)塌方區(qū)穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論:

(1)塌方后頂拱碎石區(qū)變形較大，至中部開(kāi)挖完成后，碎石區(qū)最大變形量達(dá)151.3mm。從塌方至中部開(kāi)挖完成，頂拱其它關(guān)鍵部位位移變化不大，變形增加均在3mm以內(nèi)，說(shuō)明施加支護(hù)對(duì)滑體周邊區(qū)域變形起到了較好的控制作用。

(2)塌方后，碎石區(qū)附近出現(xiàn)較大拉應(yīng)力區(qū)，隨著主廠房繼續(xù)開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力卸荷調(diào)整，錨索、拱撐等與圍巖相互作用，滑體附近巖體應(yīng)力分布趨向均勻，主要承受壓應(yīng)力，拱頂拉應(yīng)力區(qū)基本消失;至中部開(kāi)挖完成，拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)而在邊墻中部出現(xiàn)。說(shuō)明后續(xù)開(kāi)挖對(duì)塌方區(qū)應(yīng)力調(diào)整是有利的。

(3)主廠房頂拱塑性區(qū)從頂拱延伸至塌方體頂端，破壞形式以剪切破壞為主。支護(hù)強(qiáng)化后，隨著后續(xù)開(kāi)挖的進(jìn)行，碎石區(qū)圍巖塑性區(qū)基本停止發(fā)展。

(4)支護(hù)強(qiáng)化后，塌方體附近錨索應(yīng)力偏小，應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度未達(dá)到錨索端部。隨著后續(xù)開(kāi)挖的進(jìn)行，到中部開(kāi)挖完成，錨索內(nèi)力增大并向深部傳遞。說(shuō)明錨索在后續(xù)開(kāi)挖中有效發(fā)揮了支護(hù)力，對(duì)于塌方區(qū)的穩(wěn)定起到了重要作用。

［1］李仲奎，王愛(ài)民，李送成.某地下廠房施工過(guò)程中突發(fā)性破壞的分析及對(duì)策［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19(5):74－79.(LI Zhong-kui，WANG Ai-min，LI Songcheng.Analysis for a Triggered Collapse in Construction of an Underground Powerhouse［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1997，19(5):74－79.(in Chinese))

［2］孟凡理，陳向浩，何 偉，等.某水電站地下廠房塌方形成機(jī)理分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010，27(5):34－39.(MENG Fan-li，CHEN Xiang-hao，HE Wei，et al.Formation Mechanism Analysis of Collapse Occurring in Underground Powerhouse［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(5):34－39.(in Chinese))

［3］李大國(guó)，李江南，李學(xué)政.龍灘水電站地下廠房變形機(jī)制與治理［J］.水力發(fā)電，2004，30(6):13－15.(LI Daguo，LIJiang-nan，LIXue-zheng.Analysis on the Mechanism and Treatment of the Deformation Longtan Underground Powerhouse［J］.Water Power，2004，30(6):13－15.(in Chinese))

［4］張 鵬，葉式穗.錦屏一級(jí)水電站左岸導(dǎo)流洞塌方治理［J］.水利水電技術(shù)，2007，38(6):66－71.(ZHANG Peng，YE Shi-sui.Treatment for Collapse in Diversion Tunnel Left Bank of Jinping Hydropower Station［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2007，38(6):66－71.(in Chinese))

［5］姜東民，劉志新，杜 永.拉西瓦水電站左岸高線上壩交通洞塌方處理［J］.西北水電，2004，(2):19－22.(JIANG Dong-min，LIU Zhi-xin，DU Yong.Upper Access Tunnel Collapse Treatment for Laxiwa Hydropower Station［J］.Northwest Hydropower，2004，(2):19－22.(in Chinese))

［6］周建民，金豐年，王 斌，等.洞室交叉部位塌方的處理技術(shù)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(2):278－282.(ZHOU Jian-min，JIN Feng-nian，WANG Bin，et al.Techniques of Settling Collapse at Grotto’s Intersection［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(2):278－282.(in Chinese))

［7］賀淑煥，丁常國(guó).深孔注漿處理隧道塌方體［J］.地下空間，2003，23(2):144－147.(HE Shu-huan，DING Chang-guo.Treatment of Collapse Body by Deep-Hole Grouting［J］.Underground Space，2003，23(2):144－147.(in Chinese))

［8］趙弋舟，高徐軍，折 娟.復(fù)雜層狀巖層隧道塌方原因分析及其治理［J］.西北水電，2010，(3):50－53.(ZHAO Yi-zhou，GAO Xu-jun，SHE Juan.Cause Analysis and Technical Study for Treatment of Collapse in Complex Layered Rock Tunnel［J］.Northwest Hydropower，2010，(3):50－53.(in Chinese))

［9］伏四明，李 原.戶宋河電站隧洞塌方的類型、原因及處理［J］.云南水力發(fā)電，1998，14(2):20－23.(FU Si-ming，LI Yuan.Type，Cause and Treatment of Tunnel Collapse in Husonghe Hydropower Station［J］.Yunnan Water Power，1998，14(2):20－23.(in Chinese))

［10］林建喜.談水工隧洞工程施工塌方的原因與預(yù)防［J］.江西水利科技，2007，33(2):103－107.(LIN Jian-xi.Reason and Protection of the Landslide of Hydraulic Tunnels Construction［J］.Jiangxi Hydraulic Science＆ Technology，2007，33(2):103－107.(in Chinese))

［11］盧文波，周創(chuàng)兵，陳 明，等.開(kāi)挖卸荷的瞬態(tài)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，27(11):2184－2192.(LU Wen-bo，ZHOU Chuang-bin，CHEN Ming，et al.Research on Transient Characteristics of Excavation Unloading［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，27(11):2184－2192.(in Chinese))

［12］陳仲先，湯 雷.高地應(yīng)力大型地下洞室的位移和錨桿應(yīng)力特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(3):294－298.(CHEN Zhong-xian，TANG Lei.Rock Displacement and Load of Bolts Around Large Scale Cavities with High Stress［J］.Chinese Journal of Geotecnical and Engineering，2000，22(3):294－298.(in Chinese))

［13］Itasca Consulting Group，Inc..FLAC3D:Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3-Dimensions(Version 3.0)，User’s Manual［K］.Minneapolis:Itasca Consulting Group，Inc.，2005.