黃金坪水電站大斷面尾水隧洞結構安全性研究

易澤榮，楊 超，王玉鎖

(1.中鐵二十四局新余工程有限公司，江西新余 336600;2.西南交通大學峨眉校區，四川峨眉 614202)

0 引言

我國水電開發潛力巨大，水能資源蘊藏總量達6.76億kW，多半集中在國家西部金沙江、雅碧江、大渡河、瀾滄江、鳥江、紅水河和黃河上游，由于這一地區雨量充沛，河谷狹窄陡峻，適宜修建許多高水頭大容量的水電站，所以也常需要布置大斷面引水隧洞或高壩。與交通隧洞相比，水電隧洞具有大斷面、大埋深和高地應力等特點，這些特點給隧洞結構安全帶來了較大的挑戰。目前，國內已有較多關于大斷面隧洞開挖方法與結構安全評估方面的研究:宋冶等［1］根據黃土大斷面隧洞的不同施工方法提出了適用于該地質條件的安全監測控制基準;李斌［2］以瀏陽河隧道等工程為背景，采用數值模擬、現場監控量測等手段對軟巖大斷面隧道開挖面的穩定性及其控制方法進行研究。但這些研究都集中在交通隧洞方面，對水工隧洞開挖方法與結構安全評估的研究則比較有限。針對以上問題，本文依托黃金坪水電站尾水隧洞工程，介紹了該工程采用的分層開挖與支護技術，采用數值模擬、現場監測的手段進行了深埋大斷面尾水隧洞開挖結構安全研究，分析圍巖與支護的受力狀態和發生巖爆的可能，在數值分析與現場監控量測相互驗證的條件下進行結構安全評估，通過以上措施，最終實現了隧洞的安全通過。

1 工程概況

黃金坪水電站尾水隧洞處于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第11級水電站，位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮黃金坪上游約3.2 km處。尾水隧洞斷面為城門洞型，其開挖斷面為494.08 m2，縱坡i=0。尾水隧洞圍巖為斜長花崗巖、石英閃長巖，并穿插有花崗閃長－角閃斜長巖質混染巖。局部施工洞段存在斷層、裂隙密集帶及卸荷拉裂縫，巖體總體較完整，多呈次塊狀或鑲嵌結構，施工段以Ⅲ級圍巖為主，部分高地應力施工段存在發生巖爆的可能。

2 隧洞開挖方法與參數

尾水隧洞開挖標準斷面尺寸為19.4 m×26.8 m，為保證結構安全與提高施工進度，隧洞開挖分4層進行:頂層采用導坑擴挖法(兼作通風通道)，底層采用全斷面一次開挖，其余各層采用預留核心土的開挖方法，第Ⅰ層開挖高度8.5 m，第Ⅱ層、第Ⅲ層開挖高度8.0 m，尾水隧洞橫斷面開挖順序見圖1。隧洞初期支護設計采用噴射混凝土、系統錨桿、鋼筋網和型鋼支撐(格柵鋼架)的綜合防護系統。噴射混凝土采用C25濕噴混凝土(極限抗壓強度為19.0 MPa，極限抗拉強度為2.0 MPa)，在隧洞拱部、邊墻以及仰拱全斷面施作，系統錨桿采用φ28與φ32砂漿錨桿交錯布置(L=8 m)，隧洞噴射混凝土厚度為0.25 m，內嵌 φ6.5@15 cm×15 cm的掛網鋼筋。

3 數值計算模型的建立及參數的選取

本次采用FLAC有限差分軟件對隧洞開挖支護工程進行數值模擬，所建隧洞埋深為138 m，開挖斷面為494.08 m2，考慮隧道的邊界效應［3］，隧道整個計算范圍為194 m×210.5 m×1 m(寬×高×長)，整個模型共劃分了43 564個單元，87 684個節點。模型左、右邊界與底部邊界均施加約束。數值模型見圖2。

圍巖采用莫爾－庫侖模型，該模型的破壞包絡線對應于莫爾－庫侖判據(剪切屈服函數)加上拉伸分離點(拉應力屈服函數)，見式(1)與式(2)，當fs＜0時，巖體將發生剪切破壞;當巖體內某一點應力滿足ft＞0時，巖體將發生拉伸破壞。支護結構采用彈性模型，這類本構模型具有卸載可恢復變形的特性。

圖1 橫斷面開挖順序示意圖(單位:cm)Fig.1 Cross-section and excavation sequence of tailrace tunnel(cm)

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

式中:σ1，σ3為最大、最小主應力;c為巖體的黏聚力;φ為巖體的內摩擦角。

Ⅲ級圍巖參數根據工程勘察資料結合相關規范選取［4］，由于錨桿的作用既有改善圍巖應力狀態的力學作用，又有提高巖石力學參數的物理作用，但數值模擬計算中現行桿單元不能有效地反映錨桿這一復雜的支護作用［5］，所以本次分析采用等效的方法，將錨桿的作用通過提高隧洞外部錨桿加固范圍內(圍巖加固圈)的圍巖力學參數來實現，按照等效剛度原則［6］，并參考相關文獻［5，7］進行折減計算得到。材料物理力學參數見表1。數值模擬中的開挖順序均與實際開挖順序(見圖1)相同。

表1 物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters

4 巖爆的預測依據

根據對現有巖爆預測［8－9］方法的研究，結合地質資料收集情況，此次巖爆預測選擇《水利水電工程地質勘查規范》提出的判據評價隧洞巖爆發生的可能性及其烈度，判斷依據見表2，其中Rb為飽和單軸抗壓強度，本工程取70 MPa，σm為圍巖應力。

表2 巖爆判據Table 2 Criterion of rock burst

5 數值計算結果

1)Ⅰ、Ⅱ層開挖完成后圍巖受力情況。通過數值模擬計算得到Ⅰ、Ⅱ層開挖完成后圍巖的塑性區分布、第1主應力和第3主應力云圖見圖3。

從圖3可以看出，由于頂層采用先中部開挖，再向兩側進行擴刷挖的方式進行開挖，刷掉的是圍巖松動圈外圈的低應力松散帶，避免了擾動深部圍巖，與具有類似開挖斷面的工程相比［10］，頂部塑性區明顯減少。塑性區主要為剪切破壞，底部拉伸破壞區分布范圍較小。塑性區主要分布在邊墻兩側5 m范圍內，說明錨桿長度的設計較合理。隧洞兩側大部分圍巖處于受壓狀態，拱頂中部與部分隧洞底部處于受拉狀態，第1主應力最大值為0.86 MPa(受拉)，位于拱頂中央部位，未超出圍巖加固圈的抗拉強度(見表1);開挖斷面的邊角處出現明顯的應力集中現象，第3主應力最大值為6.25 MPa(受壓)，Rb/σm最小值為 11.2，參照表 2判斷，不會發生巖爆。

2)隧洞開挖完成并施加完支護后的圍巖受力情況。通過數值模擬計算得到隧洞開挖完成并施加支護后的圍巖塑性區分布、第1主應力和第3主應力云圖見圖4。

從圖4可以看出，隧洞開挖完成并施加完支護后，拱頂塑性區分布較少，塑性區主要集中在隧洞兩側，主要分布在邊墻兩側5 m范圍內，說明錨桿長度設計合理;塑性區主要為剪切破壞，未出現拉伸破壞;隧洞兩側的圍巖大部分處于受壓狀態，第1主應力最大值為0.86 MPa(受拉)，位于拱底中央部位，未超出圍巖抗拉強度(見表1);開挖斷面底部的邊角處出現明顯的應力集中現象，第3主應力最大值為6.9 MPa(受壓)，Rb/σm最小值為10.1，參照表 2，不會發生巖爆;支護結構的第1主應力最大值為0.6 MPa(隧洞底部中間部位)，第3主應力最大值為5 MPa(隧洞底部邊角處)，均未超出混凝土的極限強度。總體上看，施加支護后，除隧洞底部外，隧洞圍巖大部分呈受壓狀態，圍巖受力狀態良好，但施工中應及時封閉隧洞底部，抑制其隆起變形，并加強邊墻底部墻角處的支護。

圖3 Ⅰ、Ⅱ層開挖完成后圍巖受力情況Fig.3 Stress conditions of rock mass after Bench I and Bench II are excavated

圖4 隧洞開挖完成并施加完支護后的圍巖受力情況Fig.4 Stress conditions of rock mass after excavation and support

6 數值模擬結果與現場監控量測對比與分析

為了解開挖對圍巖的擾動情況，在尾水隧洞施工現場布置5套多點位移計(每套測點個數為4)進行位移測量，具體監測布置見圖5，根據測量結果得出的其中3個監測點的位移值與相應的數值計算結果見表3(僅選取監測斷面的1/2)，其中多點位移計M41WS－3觀測成果過程線見圖6，通過數值計算得到的M41WS－3位置監控點位移見圖7。

圖5 尾水隧洞監測斷面位移計布置圖Fig.5 Layout of displacement gauges

圖6 尾水隧洞多點位移計M41WS－3觀測成果過程線Fig.6 Displacement measured by multi-point displacement gauges(M41WS－3)

圖7 數值計算位移曲線(M41WS－3)Fig.7 Curves of displacement obtained by numerical calculation(M41WS－3)

表3 監控量測與數值模擬位移Table 3 Displacement measured vs.that obtained by numerical simulation

由表3可以看出，多點位移計各測點現場實測位移值均較小，未發生較大的變形;多點位移計測點位移基本都隨測點深度的增大而減小，孔口位移值最大，位移計測點深度超過5 m的測點位移值均較小(最大值僅為5.17 mm);其中位于邊墻上部M41WS－6位置的孔口位移值最大，為 31.64 mm，位于拱頂部位M41WS－10位置的孔口位移值最小，為2.63 mm。可見，開挖施工對邊墻上部兩側的圍巖產生的擾動最大，而拱頂中部圍巖的擾動最小。由于數值模擬計算考慮了圍巖的最不利狀況，與現場多點位移計監測結果相比，數值模擬計算得到的位移值偏大，但表現了相同的規律:位移均隨位移計測點深度的增大而減小，拱頂位移值最小，最大位移位于邊墻上部。

由圖6和圖7可以看出，監測點M41WS－3位移在開挖支護過程中有較大變化，但開挖支護完成后，位移隨時間變化較小，隧洞基本處于穩定狀態。

通過數值模擬計算結果與現場監控量測的比較，說明本文采用數值模擬分析的方法能定性地反映圍巖與支護結構的狀態，同時，隧洞開挖過程以及支護完成后都處于安全穩定狀態。

7 結論與建議

采用數值模擬與現場監控量測相結合的手段，對隧洞圍巖與支護的的受力狀態進行了研究，得出結論并提出建議。

1)隧洞斷面劃分為4層開挖，頂層采用導坑擴挖法，先開挖中部導坑，再向兩側進行刷擴處理，由于刷掉的是圍巖松動圈外圈的低應力松散帶，避免了擾動深部圍巖，有利于結構安全。

2)本工程在特大斷面中采用的分層開挖與支護方案能滿足隧洞結構安全的要求，發生巖爆的可能性較小，但施工中應及時封閉隧洞底部，抑制其隆起變形，并加強邊墻底部墻角處的支護。

3)文章采用莫爾－庫侖模型與彈性模型進行數值模擬得到的圍巖變形規律與現場監控量測得到的數據基本相同，能定性地反映圍巖與支護結構的狀態，而且數值模擬能有效地彌補現場監控量測無法形象反映圍巖應力應變的缺點，對改善施工方法，提高施工安全具有指導作用。

［1］ 宋冶，王新東，王剛，等.客運專線大斷面黃土隧道施工監控技術［J］.鐵道工程學報，2010(1):52－54.(SONG Ye，WANG Xindong，WANG Gang，et al.Technology for monitoring construction of large section loess tunnel of passenger dedicated line［J］.Journal of Railway Engineering Society，2010(1):52 －54.(in Chinese))

［2］ 李斌.軟弱圍巖大斷面隧道開挖面穩定性及控制研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2012.

［3］ 汪波，何川，俞濤.蒼嶺隧道巖爆預測的數值分析及初期支護時機探討［J］.巖土力學，2007，6(28):1181 －1186.(WANG Bo，HE Chuan，YU Tao.Study on numerical analysis of rockburst and primary support time in Cangling tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，6(28):1181 － 1186.(in Chinese))

［4］ 中華人民共和國水利部.GB 50487—2008水利水電工程地質勘查規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［5］ 陳浩，任偉忠，李丹，等.深埋隧道錨桿支護作用的數值模擬與模型試驗研究［J］.巖土力學，2011，32(1):722－723.(CHEN Hao，REN Weizhong，LI Dan，et al.Numerical simulation and model test study of mechanismof bolt in deep tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(1):722－723.(in Chinese))

［6］ 朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［7］ 張勝，沈紅波，王飛.不同施工工法對既有隧道影響的數值模擬研究［J］.合肥工業大學學報，2007，30(5):611－619.(ZHANG Sheng，SHEN Hongbo，WANG Fei.Study on influence of two different construction methods on an existing tunnel by numerical simulation［J］.Journal of Hefei University of Technology，2007，30(5):611 － 619.(in Chinese))

［8］ 陶振宇，潘別桐.巖石力學原理與方法［M］.武漢:中國地質大學出版社，1991.

［9］ 樊建平.山西省寺鋪尖隧道巖爆問題初探［J］.河北地質學院學報，1996，19(2):154 － 156.(FAN Jianping.A preliminary discussion on the rockburst problem of Sipujian tunnel［J］.Journal of Hebei College of Geology，1996，19(2):154－156.(in Chinese))

［10］ 高富強，高新峰，康紅普.動力擾動下深部巷道圍巖力學響應FLAC分析［J］.地下空間與工程學報，2009，5(4):680 － 685.(GAO Fuqiang，GAO Xinfeng，KANG Hongpu.FLAC analysis of mechanical response of surrounding rock mass in deep tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(4):680 －685.(in Chinese))