周樹兵，童 偉，鄧樂榮

(1.四川岷江水利電力股份有限公司，四川成都 611830;2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

在大型水利水電工程中，地下廠房洞室群的規(guī)模往往較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多由兩大洞室或三大洞室以及它們之間許多聯(lián)絡(luò)的通道組成。在復(fù)雜地層中開挖這類地下工程群體，洞室的開挖方案對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響至關(guān)重要。然而，地下洞室的施工開挖，從力學(xué)上講，這一過程往往是不可逆的非線性演化過程，它的最終狀態(tài)(或最終解)不是唯一的，而是與過程相關(guān)，或者說與應(yīng)力路徑或應(yīng)力歷史相關(guān)的［1］。因此，對(duì)已定巖體環(huán)境下，不同的地下洞室開挖方案就意味著在時(shí)空上以不同的方式對(duì)圍巖施加荷載，從而決定施工期內(nèi)圍巖的洞周位移和塑性區(qū)的分布。

本文基于彈塑性圍巖理論，采用三維非線性有限元法，在確定的地應(yīng)力環(huán)境條件下，研究西南某工程的主廠房、主變洞、尾調(diào)室等主要洞室分級(jí)開挖過程中圍巖的變形和破壞發(fā)育程度。同時(shí)，對(duì)3種開挖方案的異同進(jìn)行分析比較，從開挖過程圍巖穩(wěn)定的角度對(duì)不同的開挖方案的可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并優(yōu)選最佳方案。

2 工程簡(jiǎn)介

西南某工程地下發(fā)電廠房樞紐是一大型地下洞室群體。其中主廠房洞室開挖尺寸為229.45m×27m×77.44m;主變洞開挖尺寸為179m×15.8m×19m;尾水調(diào)壓室開挖尺寸為172.5m×19.3m×99.6m。另外還有5條發(fā)電引水洞、5條母線洞、5條尾水管以及3條尾水洞，使整個(gè)地下洞室群龐大且錯(cuò)綜復(fù)雜。整個(gè)地下洞室群布置區(qū)總體地形為向坡外傾斜，地勢(shì)西高東低、地面高程一般為700～820m，廠房洞室群埋深一般為260～315m，其NE側(cè)端墻距河岸約250m。地下洞室群穿過的巖層主要分別為二迭系吳家坪組(P2w)、茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)灰?guī)r為Ⅰ－Ⅱ類圍巖，梁山組(P1L)、志留系韓家店組(S2h)粘土巖為Ⅴ類圍巖，其它為Ⅲ－Ⅳ類圍巖。主廠房圍巖為層，除層及層圍巖中炭、泥質(zhì)生屑灰?guī)r為中硬巖外，其余均為堅(jiān)硬巖。巖層走向30°～35°，傾向 NW，傾角 45°～48°，主廠房軸線與巖層走向交角40°～45°。主廠房部位分布有較多的規(guī)模較大的層間錯(cuò)動(dòng)帶，寬度一般為5～20cm。

3 計(jì)算模型

對(duì)地下洞室群進(jìn)行了三維彈塑性有限元計(jì)算模擬，計(jì)算范圍取450m×400m×400m，計(jì)算區(qū)域包含了主廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室、尾水管及尾水洞漸變段，同時(shí)在計(jì)算模型中模擬了穿越地下洞室群的2條層間錯(cuò)動(dòng)帶Fb54、Fb59和1條破碎夾層Ⅲ01。X軸與廠房縱軸線垂直，指向下游為正;Y軸鉛直向上為正;Z軸與廠房縱軸線平行，與X、Y軸成右手坐標(biāo)系。本模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，對(duì)重點(diǎn)研究的部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。三維計(jì)算區(qū)域總共剖分177 729個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為187 023個(gè)。三維整體模型計(jì)算網(wǎng)格見圖1。地下洞室群布置見圖2。

圖1 三維整體計(jì)算網(wǎng)格

圖2 地下洞室群布置

計(jì)算中將計(jì)算區(qū)模型的上游邊界、左面邊界定為位移約束邊界，約束水平方向的位移;模型的底面也為約束邊界，僅約束垂直方向的位移;模型的右面邊界、下游邊界為荷載邊界;模型的頂面施加由上部巖層產(chǎn)生的重力。根據(jù)地勘報(bào)告并進(jìn)行了三維地應(yīng)力場(chǎng)回歸反演得出地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算時(shí)鉛直方向按自重應(yīng)力場(chǎng)施加;水平向應(yīng)力取側(cè)壓系數(shù)Kx=0.8，Kz=1.2，其中X方向?yàn)轫樅恿鞣较颍琙方向?yàn)榇怪焙恿鞣较颉?/p>

計(jì)算選用Mohr－Coulomb彈塑性材料模型。屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則。具體的計(jì)算參數(shù)如表1所示:

表1 計(jì)算采用的巖體力學(xué)及材料參數(shù)

4 初擬地下洞室群開挖方案

由于施工條件的限制，洞室群的開挖不可能全斷面一次開挖成型，而必須采取分期分塊的開挖方式，對(duì)于復(fù)雜地下洞室群的施工實(shí)際上是一個(gè)非線性加載過程，即是巖體施工力學(xué)的動(dòng)態(tài)過程［2］。因此地下洞室群不同部位分期分塊開挖的組合對(duì)洞室的完建和穩(wěn)定有十分重要的影響?？紤]地下洞室群施工工期仿真模擬研究成果，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)具體條件以及考慮經(jīng)濟(jì)、快速等因素，初步擬定3種代表性的開挖方案并進(jìn)行三維彈塑性計(jì)算分析。

圖3 方案1 開挖順序示意

方案1:先開挖主廠房1步后，再同時(shí)開挖主廠房和尾水調(diào)壓室，后開挖主變室。

方案2:先開挖主廠房，再開挖主變室，后開挖尾水調(diào)壓室(擬二灘水電站地下廠房實(shí)際開挖程序)。

方案3:先開挖主廠房1步后，主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室同時(shí)開挖。

3種開挖方案分期分塊開挖施工示意圖見圖3～5。

圖4 方案2 開挖順序示意

圖5 方案3 開挖順序示意

5 不同開挖方案的圍巖變形與破壞發(fā)育程度

5.1 圍巖的變形特征

由于地下廠房洞室群埋深較大，3種不同的開挖方案圍巖的位移場(chǎng)規(guī)律基本相似:由于應(yīng)力釋放，圍巖產(chǎn)生指向洞室內(nèi)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。同時(shí)，隨著洞室群的不斷開挖，受擾動(dòng)圍巖的范圍不斷增大，洞室群最大位移量值也從低量值向高量值變化。另外，隨著開挖斷面的不斷增大和母線洞、尾水管的開挖，各個(gè)洞室的變形影響區(qū)從相對(duì)獨(dú)立發(fā)展到各洞室的變形場(chǎng)連接為統(tǒng)一的洞室群變形場(chǎng)，表現(xiàn)出等值線向洞室群中心偏轉(zhuǎn)的特征。3種方案3大洞室開挖后周邊各部位最大位移計(jì)算值見表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可知:

(1)在3種開挖方案中，主廠房邊墻的最大位移值均發(fā)生在2號(hào)機(jī)組中心線附近下游邊墻中部，因?yàn)閿鄬覨b54在此部位出露，加之母線洞的開挖增加了位移變形的臨空面，所以在此處產(chǎn)生較大的位移。主變洞邊墻最大位移值也都出現(xiàn)在主變洞與母線洞的兩洞交接臨空面較大處。

表2 3大洞室開挖后周邊各部位最大位移值 cm

(2)主廠房頂拱的最大位移值和底板回彈變形值沿廠房縱軸向變化不大，變幅都在5mm之內(nèi)，但是量值上都小于邊墻最大位移值。

(3)主變洞3種開挖方案中上下游邊墻最大位移值均小于頂拱的最大位移值，這是因?yàn)橹髯兪业倪厜Ω叨认鄬?duì)于主廠房和尾水調(diào)壓室較低的緣故。

(4)尾水調(diào)壓室的跨度與邊墻的比值相對(duì)于主廠房和主變室較小，因此，在3種開挖方案中尾水調(diào)壓室的頂拱和邊墻的最大位移值均小于另外兩大洞室。

(5)對(duì)比方案2和方案1、方案3可以看出，方案2的3大洞室的周邊最大位移值都較另外2種方案要大，這是由于方案2的分步開挖步數(shù)要比另外2種方案多了6步或8步，其對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，圍巖的位移速度和應(yīng)變速度越慢，從而洞室周邊位移值較大。

5.2 圍巖的破壞發(fā)育情況

圍巖的破壞發(fā)育形式主要有3種:

(1)完整巖體的拉裂破壞(可能呈現(xiàn)單向、雙向、三向拉裂狀態(tài));

(2)沿優(yōu)勢(shì)裂隙面方向的定向破壞;

(3)沿軟弱結(jié)構(gòu)面的破壞［3］。

圍巖的穩(wěn)定性在很大程度上是受結(jié)構(gòu)面控制的，同時(shí)巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)的選取對(duì)于判斷圍巖穩(wěn)定性也起決定性作用。

不同的開挖方案計(jì)算結(jié)果表明，3種方案最終的塑性區(qū)分布規(guī)律基本上相同。主廠房和主變洞的周邊均存在塑性區(qū)，尾水調(diào)壓室的高邊墻也出現(xiàn)塑性區(qū)。在開挖過程中，頂拱出現(xiàn)的塑性區(qū)分布并不隨著后期施工的影響而擴(kuò)展，但邊墻的塑性區(qū)受后期開挖施工的影響較大，因?yàn)殡S著整個(gè)洞室群分步開挖的進(jìn)行，高邊墻和各洞室交叉部位逐漸開挖形成多個(gè)臨空面，從而使塑性區(qū)得以發(fā)展并快速擴(kuò)大，并形成塑性貫通區(qū)，這說明該工程施工過程主要是高邊墻的穩(wěn)定問題。各方案開挖完成后塑性區(qū)分布示意見圖6。

5.3 圍巖穩(wěn)定性總體評(píng)價(jià)及方案選擇

采用三維彈塑性對(duì)3種不同的開挖方案進(jìn)行分析計(jì)算表明，西南某工程地下廠房洞室群開挖后洞室周邊圍巖的位移和塑性區(qū)分布符合一般規(guī)律。頂拱、邊墻和底板等工程部位的最大位移值均在工程安全允許范圍內(nèi)。但應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:

(1)開挖過程中，前期開挖斷面上的位移受后期施工的影響而變化。同時(shí)位移值的大小也受施工開挖步數(shù)的影響，開挖步數(shù)越多，對(duì)圍巖的擾動(dòng)越大，圍巖的位移速度和應(yīng)變速度越慢，洞室周邊位移值也較大。

圖6 各方案開挖完成后塑性區(qū)分布示意

(2)開挖頂拱時(shí)，拱頂出現(xiàn)的塑性區(qū)并不隨后期施工的影響而擴(kuò)展，而邊墻塑性區(qū)的擴(kuò)展易受其影響，甚至?xí)霈F(xiàn)大面積的貫穿。所以在實(shí)際施工中應(yīng)注意觀測(cè)和支護(hù)。

(3)斷層對(duì)塑性區(qū)分布有一定的影響。在開挖過程中，斷層穿過的部位會(huì)首先出現(xiàn)塑性變形，并在此基礎(chǔ)上開展。從結(jié)果來看，斷層穿過的地方也是塑性區(qū)連通的部位。因此在開挖斷層出露部位時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理和加固措施。

(4)在洞室群的兩洞相交處開挖時(shí)，由于會(huì)形成較大臨空面，易產(chǎn)生較大的變形，特別是母線洞的開挖，極易會(huì)使主廠房和主變洞的塑性區(qū)相貫通，所以應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)和重點(diǎn)支護(hù)。

(5)從3種開挖方案最終的塑性區(qū)面積來看，方案3的面積相對(duì)較小，所以從空間角度上方案3對(duì)圍巖穩(wěn)定較為有利。

6 結(jié) 論

地下洞室群3種開挖方案計(jì)算分析成果表明，采用從上而下的分期開挖的施工方式，洞室圍巖的變形穩(wěn)定性未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。但是在洞室群的兩洞相交處，臨空面較大以及巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的部位，圍巖穩(wěn)定問題相對(duì)突出。因此，在施工中應(yīng)著重監(jiān)測(cè)這些部位的變位，注意及時(shí)采取支護(hù)處理。

從總體上看，3種開挖方案隨著開挖級(jí)數(shù)的增加，對(duì)圍巖的擾動(dòng)越大，圍巖變位和破壞發(fā)育程度也隨之增大。因此在施工條件許可的情況下，應(yīng)盡量減少開挖次數(shù)以及從空間上錯(cuò)開洞室間施工的相互影響。

［1］于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等．地下工程圍巖穩(wěn)定分析［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1989．

［2］鄭穎人，功效南．巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989．

［3］張學(xué)言．巖土塑性力學(xué)［M］．北京:人民交通出版社，1993．