水平巖層洞室開挖支護有限元分析

胡 亮，赫 雷，趙靜雅，宋 朝

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

地下洞室開挖及初期支護過程中的圍巖穩定性問題，一直是水電工程施工過程中參建各方關心的主要工程地質問題，一旦發生大規模的垮塌事故，將會帶來巨大的人員傷亡和財產損失。通過分析大量實際工程，國內外的專家逐漸總結出一套相對完善的洞室勘察及圍巖穩定評價的理論體系。本文以某水電站工程為例，分析研究水平巖層層洞室開挖支護初期，洞室圍巖及支護應力應變分布情況。

1 工程概況

該水電站位于中南半島南部，東、西、北三面為高原，中部為平原并向南延展入海。北部扁擔山脈東西延伸約300km，西部和西南部稱豆蔻山脈，南部為象山山脈，向海岸延伸。工程所在河流位于柬埔寨西南部的戈公省（KOH KONG），北西向展布的豆蔻山脈的西南麓，南北向展布的象山山脈西麓，地勢總體走勢是北東高、南西低。工程位置周邊區域為海拔低于500m的平緩山丘，屬低山地形。河流及沖溝切割較深，多形成“U”型谷或“V”型谷，植被茂盛，為原始森林區；上游河谷寬約10～15m左右，至下游增加至70m以上。

該水電站由上、下電站兩個梯級組成，以發電為主要任務，上、下電站均為大（2）型二等工程。上、下電站主要水工建筑物為擋水建筑物、泄水建筑物和引水發電系統組成。整個工程洞室開挖的總長度達到6.9km。施工過程中，洞室圍巖的穩定及襯砌的變形大小，對工程的施工進度和質量顯得尤為重要。

2 地質背景

工程區主要出露侏羅系地層，為陸相沉積的碎屑巖，巖層近似水平。巖性主要為石英砂巖、紫紅色泥巖、泥質砂巖等。以砂巖為主的砂巖巖組與以泥巖為主的泥巖巖組相間分布，層位相對較穩定；砂巖巖組多為中厚層～厚層狀；泥巖巖組為薄層狀結構，局部夾砂巖、粉砂巖等。

工程區內碎屑巖巖層近似水平，構造不發育，中生代地層未經過強烈擠壓；平原與山區結合部位無大斷裂發育，新構造運動不明顯。工程區挽近期以來，地殼處于緩慢抬升、廣遭剝蝕、構造活動相對微弱，地震基本烈度為小于Ⅵ度。

工程區物理地質現象主要表征為風化與卸荷、崩塌。全強風化一般分布在緩坡地段，垂直深度一般5～20m；弱風化深度一般河床較淺，垂直深度5～10m，兩岸稍深，岸坡段一般垂直深度20～40m不等，存在夾層風化現象。卸荷多發育在砂巖形成的陡坡地段，水平深度10～20m。

3 巖石物理力學性質

3.1 巖石礦物成分

工程區出露地層主要為侏羅系中統石英砂巖、泥巖、泥質砂巖和砂質泥巖等。依據工程區鉆孔揭示，將壩址區125m高程以下地層分為以下工程地質巖組，砂巖巖組厚度約占總厚度的85%，泥巖巖組約占總厚度的15%。

第①、③、④、⑤、⑦、⑨、?、?、?為砂巖巖組，其中第④層巖性主要為紫紅色泥質砂巖，其余巖性主要為灰白色石英砂巖。砂巖多為中厚層～厚層狀，厚度一般12～18m。石英砂巖以灰白色為主，巖石中因含泥質量增加而相變為泥質砂巖，呈淺紅色～紫紅色。碎屑成分主要為石英，含量約60%～95%，其它為泥質、巖屑及少量的鐵質，硅質膠結為主，次為鈣質及泥質膠結，巖質堅硬。泥質含量相對較高的泥質砂巖失水時具有微弱崩解性。

第②、⑥、⑧、⑩、?為泥巖巖組，局部夾砂巖、粉砂巖等，層厚一般4.5～7.0m，薄層狀結構，泥巖類以紫紅色為主，個別為灰綠色、深灰色、青灰色，粘土質結構，塊狀構造或層狀構造。礦物成分主要為水云母，含量約55%～85%，石英含量5%～20%，其它為綠泥石、菱鐵礦等，個別含有蒙脫石，高嶺石。天然狀態下性狀較好，失水或飽水后易風化崩解，力學性質變差。巖塊內因石英含量的不同而崩解性有差異，泥巖為強崩解性，砂質泥巖次之。

3.2 巖石（體）物理力學性質

工程區布置了大量勘測鉆孔，主要鉆孔鉆進采取率及RQD統計情況，見表1。

為了解砂巖、泥巖的物理力學性質，工程共計完成巖石巖礦鑒定及化學成分分析26組，巖石常規物理力學試驗19組；泥巖受其工程特性的影響，在現場開展了點荷載試驗，部分砂巖亦開展了該試驗，共計162塊，并在現場開展泥巖崩解試驗，共計60塊。綜合考慮巖性、巖體的完整性、鉆孔的采取率及RQD值，以地質專業提供的巖體力學參數為基礎并對其做適當修正后［1］，給出工程區巖體力學參數建議值，見表2。

4 工程區洞室圍巖分類

根據巖性、巖體結構、巖體風化及結構面特征，采用GB50287-2016《水力發電工程地質勘察規范》附錄L圍巖分類方法，將工程區地下洞室圍巖分為如下幾類，見表3。

進行分類時，主要考慮了以下幾個方面：

表1 工程區主要鉆孔鉆進采取率及RQD統計

表2 巖體試驗成果表（力學參數為順層抗剪斷試驗）

（1）巖石的抗壓強度：采用鉆孔巖芯樣的強度指標，砂巖取飽和抗壓強度，泥巖取天然狀態下點荷載進行修正后的抗壓強度；

（2）巖體的完整性：巖石質量指標RDQ和巖體的完整性系數Kv，均是表征巖體完整程度的定量指標；

（3）結構面的間距、性狀及圍巖強度應力比。

工程區絕大部分圍巖為Ⅲ、Ⅳ類，且以Ⅲ類圍巖居多。工程區巖層近水平，勘探表明，深埋40m以下新鮮砂巖巖體裂隙不發育，巖體完整，堅硬巖，RQD一般大于80%，為Ⅱ類圍巖；Ⅴ類圍巖一般為淺表段全強風化泥巖及全風化砂巖。工程區以層狀結構巖體為主，總體上巖層單層厚度不大，最主要的結構面為層面，巖層近水平，對圍巖側壁洞室穩定性影響不大，但對洞室頂拱圍巖穩定性影響較大。洞室開挖后，拱腳和拱頂部位是最容易塌方變形的部位［2］。

表3 工程區地下洞室圍巖分類

5 洞室開挖有限元分析

5.1 洞室開挖的結構

本文以下電站導流洞的開挖過程為例，簡要分析工程區水平巖層開挖支護初期應力分布狀態。導流洞典型開挖斷面圖如圖1所示，洞徑5m×6m（寬×高）。開挖初期的支護方案是：采用系統錨桿掛鋼筋網加噴10cm厚C20混凝土，洞頂錨桿25cm，間距100cm，入巖270cm；洞壁錨桿25cm，間距100cm，入巖270cm。錨桿主要對洞室的圍巖松動圈進行錨固，防止垮落［3］。

5.2 分析范圍

隧洞開挖后，巖體的應力將重新分布，分為低應力區、高應力區和原始應力區，原始應力區巖體未受開挖影響，仍處于原始應力狀態［4］。本文選取三倍隧洞直徑的范圍為計算范圍，對單位長度洞室進行有限元計算。

5.3 計算單元劃分

根據隧洞所在位置的典型斷面的地層情況，如圖1所示劃分計算單元，進行平面應力應變分析。

圖1 洞室地質剖面圖

在劃分計算單元網格時，為減少計算的工作量，采用不均勻劃分的方法。計算范圍邊界附近以1m為間隔劃分計算單元，靠近隧道中心逐漸加密至0.5m為間隔劃分計算單元。模型節點數7195，單元總數4096，如圖2所示。

圖2 計算網格劃分圖

5.4 巖土體及混凝土計算參數

非錨固區砂巖、泥巖計算參數見表2，錨固區因為初期支護的系統錨桿，錨固體等效內聚力顯著增強，可用如下公式計算等效參數C′。［5］

式中，C′—錨固體等效內聚力；C—巖體內聚力；ΔC—錨固體等效內聚力；L—錨桿長度；R—隧洞直徑；φ—錨桿直徑；D—錨桿間距。

洞頂、洞壁錨固體計算參數見表4，噴混凝土計算參數見表5。

表4 錨固體等效計算參數C′

表5 C20混凝土計算參數表［6］

5.5 結果分析

本文采用摩爾—庫倫彈塑性模型作為巖體材料的本構模型，分四個步驟模擬開挖至初期支護完成，洞室的應力應變情況。

步驟一：原始應力狀態，因本區域沒有經受強烈的構造作用，巖層產狀近似水平，巖體的初始應力狀態十分接近由彈性理論所確定的應力狀態，用自重應力法計算得出［7］。總應力分布圖如圖3所示。

圖3 總應力分布圖

步驟二：洞室開挖完成，為了模擬圍巖應力釋放產生變形的過程，在計算過程中，因開挖而作用在拱部上的荷載按40%進行折減。總應力分布圖如圖4所示。

圖4 總應力分布圖

步驟三：為隧洞進行臨時支護，由于錨桿的作用，錨固體C′值見表3。噴混凝土初始強度按表4的10%進行折減，同時因開挖而作用在拱部上的荷載按70%進行折減。總應力分布圖如圖5所示。

圖5 總應力分布圖

圖6 總應力分布圖

步驟四：噴混凝土強度達到100%，因開挖而作用在拱部上的荷載達到100%。總應力分布圖如圖6所示，單位洞室長度軸向壓力圖如圖7，單位洞室長度彎矩圖如圖8所示，單位洞室長度剪力圖如圖9所示。

圖7 單位洞室長度軸向壓力分布圖（kN／m）

圖8 單位洞室長度彎矩分布圖（kNm／m）

圖9 單位洞室長度剪力分布圖（kN／m）

通過對比可以發現，計算邊界位置，應力與初始狀態變化不大，說明3倍洞徑的計算范圍選擇是合理的。

步驟四狀態下，內力分布極值見表6，各步驟z向位移和x向位移極值見表7。

表6 單位洞室長度內力分布極值

6 結論

通過計算，使用有限元方法模擬了洞室開挖施工，并進行初步支護的過程。洞室巖體開挖后，通過逐步折減，因開挖而作用在拱部上的荷載，模擬了因洞室開挖，圍巖應力逐步釋放的過程。

（1）在洞室剛剛開挖完成時，洞室的頂拱和底板會產生較大應力集中，同時洞室變形量相對較大。此時應重點關注頂拱和底板的部位，一旦發現變形、掉塊等現象，要及時支護。在開挖過程中，可采取短進尺、弱爆破的方式開挖。［8］

（2）施加噴錨支護后，洞室變形速率減小，兩側邊墻底部出現應力集中。在施加永久支護之前，應格外關注兩側邊墻底部的變形情況，及時加強支護。

（3）工程區構造不發育，因此本文在計算分析的過程中，忽略了節理裂隙對于巖體的影響。

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