基于Phase2的地下廠房及尾調室開挖與支護設計

石高峰

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海200434)

基于Phase2的地下廠房及尾調室開挖與支護設計

石高峰

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海200434)

基于Phase2模擬了TP水電站地下廠房及尾調室的開挖與支護過程，并以非線性本構模型廣義Hoek-Brown準則為基礎，對圍巖的穩定性和支護措施的支護能力進行了分析和驗證。分析表明：圍巖的應力釋放及變形主要集中在廠房及尾調室邊墻中部。在高跨比較大的前提下，所采用的支護措施能夠有效控制洞室周邊的最大相對位移量，支護措施的支護能力均滿足要求。

Phase2；Hoek-Brown準則；圍巖穩定性；支護能力；TP水電站

0 引 言

1 計算理論及施工模擬過程

地下洞室的開挖與支護采用“新奧法”理念，利用巖土專業有限元程序Phase2進行開挖與支護過程的模擬，本構模型采用廣義HOEK-BROWN準則[1- 2]，其表達式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，σ1為巖體破壞時的最大主應力；σ3為作用在巖體上的最小主應力；σci為完整巖塊的單軸抗壓強度；mb、s、a為巖體強度參數，可表示為地質強度指標GSI的函數；mi為巖石材料常數；D為工程因素影響系數(該值取0～1之間，對于原巖無擾動狀態為0，對于充分擾動的巖體為1)。

Alluriquín廠房及尾調室開挖與支護的施工過程見表1和圖1。廠房頂拱的鋼筋支護見圖2。

表2 不同巖石開挖擾動系數下的地質參數

位置巖石類別巖性巖體質量分級RMR開挖擾動系數D巖石單軸抗壓強度/MPa地質強度指數GSI泊松比υ巖體強度參數mbsa巖體變形模量Erm/GPa743.50m高程以上Ⅲ斑狀安山巖(或凝灰巖)、輝石安山巖56066510.243.3020.00430.5058.600.556510.241.8420.00150.5055.90743.50m高程以下Ⅲ安山巖摻夾凝灰巖60071550.243.8090.00670.50411.20.559550.242.2290.00250.5047.7

表1 廠房、尾調室開挖與支護施工順序

廠房尾調室開挖支護開挖支護備注I-11I1同步I-22II2同步I-3、I-43II、V-14、8III3同步III-1、VI-15、9-1III-26IV4同步IV7V5同步V-2VI-29-2

圖1 廠房、尾調室開挖與支護施工順序示意(單位：m)

2 計算參數

2.1 巖石特性參數及地下水參數

廠房及尾調室圍巖類別為III類，假定廠房開挖后形成松動圈范圍為3 m，松動圈內巖石開挖擾動系數取D=0.5，松動圈外取D=0?？紤]擾動后的巖體地質參數見表2。廠房處地下水位埋深約20 m，水頭約150 m，圍巖滲透系數取5×10-6m/s。

2.2 支護措施及參數

初擬支護措施采用“掛網噴混凝土+全長黏結錨桿+高強預應力錨桿+錨索”方案，掛網噴混凝土支護設計參數見表3，其中廠房752.5 m高程以上、尾調室742.0 m高程以上噴厚0.2 m的混凝土，其余部位為0.15 m。

表3 廠房、尾調室掛網噴混凝土支護設計參數

混凝土參數鋼筋參數彈模/GPa泊松比抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa間排距/m直徑/mm彈模/GPa泊松比強度/MPa21.80.15212.10.1562000.3420

錨桿及錨索支護設計參數見表4。具體方案為：①全長黏結錨桿。在廠房底部斜坡段采用直徑25 mm、長6 m，其余部位為直徑32 mm、長8 m，752.5 m高程以上錨桿間排距為1.2 m，以下為1.5 m；尾調室頂拱錨桿采用直徑32 mm、長6 m，邊墻采用直徑32 mm、長8 m，742.0 m高程以上錨桿間排距為1.5 m，以下為1.8 m。②高強預應力錨桿。廠房頂拱選用長15 m，間距4.8 m，上游側邊墻選用長18 m，共4排，上部1排間距4.8 m，下部3排間排距6.0 m；尾調室下游側邊墻布置4排，上部2排間排距4.8 m，下部2排6.0 m。③預應力錨索。錨索對拉廠房和尾調室，上部2排間排距4.8 m，下部2排6.0 m。

表4 錨桿及錨索支護設計參數

部位類型直徑/mm長度/m抗拉力/MN預加力/MN廠房全長黏結錨桿Φ2560.206—全長黏結錨桿Φ3280.338—高強預應力錨桿Φ3615/180.8490.5預應力錨索10根Φ15.2鋼絞線332.2151.5尾調室全長黏結錨桿Φ326/80.338—高強預應力錨桿Φ36180.8490.5預應力錨索10根Φ15.2鋼絞線332.2151.5

圖2 廠房頂拱連接鋼筋分布示意

2.3 初始地應力

通過模擬自重產生的初始地應力場，得到廠房及尾調室初始地應力值分別為σ1=5.55 MPa，σ3=3.45 MPa，σ2=4.95 MPa。

3 圍巖穩定性分析

用Phase2模擬廠房及尾調室開挖與支護按照表1和圖1的施工方案進行，最終開挖與支護完成的模型如圖3所示。

由圖4可見廠房開挖面的最大位移位于上游側

圖3 開挖與支護模型

圖4 圍巖位移變形等值線示意(單位：cm)

邊墻中部，尾調室開挖面的最大位移位于下游側邊墻中部，結果見表5，廠房和尾調室周邊相對位移值分別為0.22%、0.33%。GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》中高跨比0.8～1.2的地下洞室，III類圍巖跨度不大于20 m，當洞室埋深為50～300 m，洞室周邊允許位移相對值0.2%～0.5%。而在本工程中，廠房的高跨比為1.6，尾調室的高跨比為3.4，但是最大相對位移量均小于0.5%，由此可認為在大高跨比的條件下，相對位移量能夠得到有效的控制。

圖6 廠房及尾調室掛網噴混凝土支護能力

表5 廠房及尾調室上下游側圍巖最大位移量對比

由圖5圍巖塑性區云圖可見：廠房與尾調室之

間巖柱的塑性區未貫穿，最大的塑性區主要分布在邊墻中部，塑性區深度最大約10 m，塑性區深度為廠房跨度的0.37倍，一般認為，洞周塑性區或松弛區深度不大于洞室跨度的0.5～0.6時，洞室是安全的。塑性區深度基本在錨桿深度范圍之內，說明塑性區的開展在有效的支護范圍之內。

圖5 圍巖塑性區云圖分布示意

4 支護能力分析

圖6為廠房及尾調室掛網噴不同厚度混凝土的支護能力，結果表明掛網鋼筋和噴混凝土的支護能力基本滿足要求，局部噴混凝土安全系數小于1.0，這是由于在局部開挖面產生應力集中導致開裂，但是初次柔性支護的作用是使得圍巖自身的承載能力得到最大限度的發揮，因此局部的噴混凝土開裂是可以接受的。

圖8 廠房、尾調室錨索錨桿軸力分布

廠房及尾調室的錨桿、錨索編號如圖7所示，圖8為錨索錨桿軸力分布。由圖8a可知，第93、127、128、146號預應力錨索最大軸力分別為1.52、1.58、1.63、1.51 MN，均在預應力錨索承受的范圍之內，軸力較大區域主要在端部10 m范圍之內。由圖8b可知，廠房頂拱高強預應力錨桿(長度15 m)在臨近開挖面端部4 m范圍內的軸力變化幅度較大，在深入巖體內部，軸力趨于穩定。由圖8c、8d可知，廠房及尾調室邊墻高強預應力錨桿(長度18 m)在臨近開挖面端部8 m范圍內的軸力變化幅度較大，在深入巖體內部，軸力趨于穩定。

圖7 錨桿及錨索編號

根據全長黏結錨桿的軸力極值分布結果可知，φ32、φ25錨桿的最大軸力分別為0.328、0.157 MN，均在可承受的抗拉力范圍之內，在邊墻中部位置錨桿的軸力最大，向上下兩側軸力逐漸減小。

5 結 語

本文基于Phase2構建了Alluriquín廠房的開挖與支護模型，分析圍巖穩定性并驗證了支護措施的支護能力。結果表明：①初次柔性支護作用之后，圍巖自身的承載能力得到最大限度的發揮，另外由于廠房及尾調室高跨比較大，促使邊墻中部位置的應力釋放較大，位移變形和塑性區較大區域也集中在該位置。采取相應的支護措施后，洞室周邊最大的相對位移量較小，廠房和尾調室中部巖柱的塑性區范圍未貫穿。②通過支護能力分析可知，掛網噴混凝土的安全系數滿足要求，局部位置由于應力集中可能導致噴混凝土的局部破壞，但是對于初次柔性支護而言，這是可以接受的；錨桿(錨索)的軸力分布滿足錨桿自身的抗拉要求。故所采用的支護措施安全可靠。

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(責任編輯王 琪)

Design for Excavation and Supporting of Underground Powerhouse Based on Phase2

SHI Gaofeng

(Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

The excavation and supporting of TP Hydropower Station underground powerhouse are simulated by Phase2, and the rock stability and supporting capacity of supporting measures are analyzed and verified based on generalized Hoek-Brown criterion which is nonlinear constitutive model. It shows that the stress release and deformation of surrounding rock mainly locate in the middle of sidewalls. The maximum relative deformation along the surface of tunnel is under control when the height-span ratio is big, so it could be concluded that the supporting measures can meet requirements．

Phase2; Hoek-Brown criterion; Surrounding rock stability; supporting capacity; TP Hydropower Station

2014- 11- 14

石高峰(1986—)，男，江蘇啟東人，工程師，碩士，主要從事水利水電工程設計工作．

TV554.13；TV731.6(776)

B

0559- 9342(2015)12- 0063- 05