高地應力地下廠房洞室群圍巖穩定分析

張羅彬，李治國，劉暢

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

隨著我國地下空間開發建設的發展，地下洞室埋藏深度不斷增大，地質條件愈加復雜，高地應力對圍巖穩定性影響問題越來越突出。近年來，人們雖然對高地應力條件下深埋地下洞室圍巖的破壞形態、破壞機制及穩定性評價進行了大量研究，但至今尚存在不同認識。筆者以某水電站地下發電廠房洞室群穩定分析為研究對象，對高地應力條件下深埋地下洞室脆性圍巖穩定性分析方法進行了初步探討，并用模型試驗對分析成果進行了驗證，為深入研究作借鑒與參考。

1 工程概況

某水電站位于四川省境內的大渡河上，總裝機容量2000 MW。電站地下廠房洞室群位于左岸山體內，主要包括主廠房、主變室及尾水調壓室等。主廠房頂拱開挖跨度28.3 m，開挖高度67.3 m;主變室開挖跨度20 m，開挖高度35.7 m;尾水調壓室開挖跨度20 m，開挖高度76 m。

廠址區河谷屬高山峽谷地形，兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，臨江坡高達1000 m 以上，左岸坡度為35°～50°，右岸為45°～60°，呈略不對稱的“V”型谷。

地下廠房洞室群水平埋深大于400 m，垂直埋深大于600 m。洞室群圍巖以黑云鉀長花崗巖為主，巖性單一，巖體強度較高，廠區無大規模斷層、構造帶和軟弱巖帶分布。巖體結構面不發育，完整性較好，呈塊狀～整體狀結構，屬于以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主的脆性巖石。最大主應力σ1與廠房縱軸線夾角約15°。地下水活動微弱，局部洞壁有滲、滴水。廠房地處高應力區，實測最大主應力約38 MPa。由高地應力引起的巖爆等巖石脆性破壞現象在前期施工的地下洞室中非常普遍，其中規模最大的一次破壞造成洞室(開挖斷面尺寸為19 m×20 m)邊墻中上部垮塌長度超過70 m，最大深度達2 m。地下廠房圍巖物理力學參數值見表1。

2 圍巖穩定性分析

表1 地下廠房洞室圍巖物理力學性質指標建議值表

2.1 高地應力下圍巖的破壞特性

高地應力是一個相對的概念，其形成與巖體埋深、地質構造、巖體強度及巖石彈模等因素有關。在工程實際中，通常將巖體的初始地應力大于20 MPa 時稱為高地應力。《水力發電工程地質勘察規范》GB50287-2006規定:巖石強度應力比Rb/σm=2～4時為高地應力;Rb/σm＜2時為極高地應力。高地應力下地下洞室的圍巖破壞特性主要表現為:洞室開挖后，由于巖體邊界條件發生變化，巖石材料的力學特性發生改變，應力重分布導致圍巖內部破裂，如果巖體內的應力迅速達到或超過巖體強度，則產生巖爆與片幫、應力型坍塌等劇烈型破壞。這種破壞由于發生突然且常常具有一定動能，極易在施工過程中將造成如人員傷亡、設備損毀等災害性后果。同時，由于圍巖內部破裂在很長一段時間內持續發展，圍巖變形在很長一段時間內不收斂，對圍巖及支護系統的長期安全性產生影響。

2.2 圍巖穩定性評價指標

對一般應力條件下地下工程穩定性的研究，常以塑性損傷區、位移、應力作為圍巖穩定性分析的主要評價指標。而高地應力條件下的工程則更關注和需要解決的問題是巖爆等高地應力型破壞對施工安全的影響及圍巖破裂和破裂持續發展對圍巖長期安全性的影響。實際工程監測成果顯示，脆性巖體在彈性狀態下也可以出現破裂，出現嚴重破壞時圍巖變形量也可能比較小，但仍滿足變形標準。因此，高地應力條件下地下洞室的穩定分析必須充分認識到其特殊性，除了要對圍巖變形、卸荷破損指標進行評價外，還必須對巖體能量指標進行重點研究。

研究巖體能量指標的主要目的是通過降低巖體的能量釋放速率控制圍巖的卸荷松弛區范圍并降低高地應力型破壞發生的可能性，主要指標有能量釋放率和彈性釋放能。能量釋放率(ERR)［1］概念是N.G.W.Cook 等在研究南非金礦巖爆問題時于1966年首先提出的。通過對南非金礦深部開采中巖爆事例進行的系統調查和分析得出:巖爆發生次數、規模及對采礦造成的損失與地下開采能量釋放率密切相關，能量釋放率越大，發生巖爆事件的比例也越高。圖1為南非Ventersdrop Contact 和Cavabon Leader 礦脈破壞性巖爆事故次數與能量釋放率之間的關系。

圖1 巖爆發生次數與ERR 之間的關系圖

國內外不少學者對巖體能量指標做了大量研究工作并取得了很多有價值的成果。專家［2］認為Cook 的能量釋放率指標在工程應用上存在以下局限性:(1)巖體在數值計算中被看成均勻線彈性體;(2)未考慮地質構造、巖石材料破壞及其導致的應力重分布的影響;(3)只能在大體上估計巖爆發生的可能性，而不能直接圈定巖爆發生的位置;(4)只適用于鉆爆法施工的洞室等局限性。蘇國韶等［2］提出了一種新的評價指標——局部能量釋放率(LERR)。該指標通過在計算中追蹤每個單元彈性能量密度變化的過程，記錄下單元發生脆性破壞前后的彈性能密度差值，得到單位體積巖體釋放的彈性能量。通過追蹤圍巖能量釋放、轉移等能量動態變化過程，定量地預測高應力下地下工程開挖過程中圍巖脆性破壞發生的強度、破壞位置與范圍。該指標適用性更強，預測也更科學合理。由記錄下的一個單元的局部能量釋放率乘以單元體積得到單元彈性釋放能。所有脆性破壞單元的彈性釋放能總和為彈性釋放能。

某水電站在進行洞室群圍巖穩定性分析時，采用了局部能量釋放率、彈性釋放能、洞室周邊位移、塑性區體積、應力等綜合評價指標。其中，局部能量釋放率、彈性釋放能作為巖爆發生的可能性和烈度指標。

2.3 計算成果分析

某地下廠房三維數值模型見圖2。巖體本構模型為彈脆塑性(CWFS)，計算軟件采用FLAC3D。

圖2 地下廠房開挖體計算網格圖

分析計算成果后得知其具有以下特點:

(1)開挖過程中，圍巖位移、應力、塑性區的變化規律與一般地下洞室變化規律相似。開挖過程中特征點位移變化見圖3。支護條件下，洞室群整體穩定性良好。

(2)類比同等規模工程，洞室無支護時開挖最大位移和塑性區深度偏小，分別為87 mm 和10m。主要原因是圍巖的強度高、完整性好。支護條件下洞室最大位移值為48 mm，塑性區最大深度為5.5 m。說明錨固支護措施實施后，圍巖的破壞和變形能得到有效限制，有無支護對圍巖應力值影響不大。但在洞室交叉部位，應力集中現象比較明顯，最大應力達42 MPa。

圖3 支護條件下特征點位移隨開挖變化關系圖

(3)總體看，圍巖體能量釋放隨著開挖的進行增大較平穩(圖4)。在洞室交叉部位增加較快，如無支護開挖，主廠房與母線洞、尾水洞交叉部位局部能量釋放率明顯增大，出現強烈脆性破壞現象和大體積貫通性塑性區。開挖完成后，局部能量釋放率較大的部位分布在洞室邊墻、突出巖臺、洞室交叉口等部位，表明這些部位圍巖彈性應變能聚積-消散較為劇烈，易發生大變形、局部失穩，是巖爆、應力型坍塌等高地應力型破壞的高發區。采取支護措施后，洞室開挖完成后圍巖釋放的總彈性釋放能降低至無支護開挖的70%左右，局部能量釋放率指標的最大值及其分布范圍有較大減小，說明支護對控制圍巖能量釋放作用較明顯。無支護及支護工況能量釋放比較情況見圖5。

圖4 彈性釋放能隨開挖期變化規律圖

2.4 支護設計要點

高應力地下洞室支護設計不僅需充分理解和把握圍巖變形破壞特征及演變過程，而且還要考慮如永久支護滯后時間與圍巖破裂時間之間的關系、臨時支護與永久支護強度分配及支護滯后時間的關系等一系列問題。一般而言，需滿足以下基本要求:

圖5 局部能量釋放率分布圖(單位:J/m3)

(1)支護需要具有良好的抗變形能力和抗沖擊能力。前者的主要作用為加固圍巖、形成承載拱，充分發揮圍巖自承能力，保證圍巖不出現有害變形;后者主要是解決巖爆等圍巖的脆性破裂對圍巖及支護結構安全性影響問題。

(2)采用聯合支護措施。單一支護手段已不能滿足支護要求，必須采用多種支護措施聯合作用。噴混凝土+系統錨桿是最常見和有效的組合，兩者之間用錨板連接。掛鋼筋網對保證支護結構連接的可靠性、增強支護結構的整體性有較大的作用。

(3)支護的適時性。支護設計需把握圍巖狀態變化及其對支護的需求。過早或過晚實施支護都是不可取的。開挖后如不及時支護則可能出現嚴重的圍巖破壞失穩，如支護實施過早，由于圍巖破裂持續發展可能導致錨桿、錨索等應力超限甚至斷裂(實際工程中，已有高地應力洞室錨索在工作中被拉斷的例證)。因此，設計的支護措施可以分期進行:為適應巖爆等高地應力型破壞往往在開挖后數小時即會發生的特點，初期先用柔性臨時支護在開挖后迅速鎖定圍巖，控制圍巖破裂發展，保證施工安全;后期跟進系統的永久支護，保證圍巖長期穩定。永久支護強度應根據洞室監測資料，綜合考慮支護滯后時間及初期支護強度。

(4)支護結構應具有足夠的安全度。由于高地應力巖體破壞特性的特殊性和復雜性，目前，還不能準確描述圍巖破壞可能出現的變化趨勢，支護設計在很大程度上依賴工程經驗。支護設計的錨固安全判斷標準、類型選擇要充分考慮錨桿錨索在高地應力下的受力特點，保證其具有足夠的安全度。

3 模型試驗

為驗證數值分析成果，先后進行了“準三維”及“真三軸加荷條件”模型試驗［3］、［4］。試驗采用液壓加載系統模擬地應力，圍巖采用專門研制、性能相似的巖土材料，采用高精度光柵尺做傳感器，并用數字攝像技術(CV)系統測量洞周微量收斂位移。對數值分析選定的洞室群布置方案、施工開挖順序及支護方案進行了試驗。試驗中，研制了可施加預應力的微型模型錨索及埋設注漿錨桿的錨固技術。全部開挖支護試驗完畢，還進行了超載試驗，觀察了圍巖的破裂現象和破裂過程，模型試驗開挖完成后的主廠房見圖6。

圖6 模型試驗開挖完成后的主廠房

比較模型試驗與數值分析成果得知，隨著施工變化，位移、應力實測值與計算值的變化趨勢和量值基本一致。觀測點位移在關鍵開挖段實測值與計算值比較情況見圖7。

圖7 收斂觀測點位移在關鍵開挖段實測值與計算值比較圖

從超載試驗可以看出，超載達到約1.5倍開挖荷載時，圍巖相對位移突然增大，說明圍巖達到峰值強度后強度迅速降低，巖體內的小裂縫增大，出現劈裂破壞。超載達到約2.5倍開挖荷載時，圍巖雖然變形較大，但尚未發現顯著破壞;片狀剝落現象開始在頂拱和邊墻出現，說明錨固系統對圍巖的破壞起到了較為有效的控制作用。

4 結語

從巖體力學特性及破壞機理看，高地應力條件下地下洞室(特別是脆性圍巖)的圍巖穩定評價指標不應僅采用變形、應力、塑性區深度等指標，還應著重關注圍巖的能量指標。從某水電站地下廠房洞室群圍巖穩定的數值計算、模型試驗成果看，這種分析方法對高地應力條件下的地下洞室更合理、更必要、更有針對性，對洞室群布置、開挖、支護設計具有重要的指導意義。

［1］Cook N G W，Hoek E，Pretorius J P G，et al，Rock mechanics applied to the stedy of rockbursts［J］Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1996，66(10):436-528.

［2］蘇國韶，馮夏庭，江權.高地應力下地下工程穩定性分析與優化的局部能量釋放率新指標研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(12):2453-2460.

［3］朱維申，李勇，等.高地應力條件下洞群穩定性的地質力學模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(7):1309-1314.