軟巖地質條件下大型地下洞室群交叉洞口開挖方案優化

鄭德湘，蘇 超

(1.重慶蟠龍抽水蓄能有限公司，重慶401452；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098)

1 工程概況

重慶蟠龍抽水蓄能電站裝機容量1 200 MW(4×300 MW)，屬一等大(1)型工程，主要永久性建筑物按1 級建筑物設計，次要永久性建筑物按3級建筑物設計。地下廠房洞室群主要由主廠房、主變洞、母線洞、主變運輸洞、進廠交通洞等組成。主廠房開挖尺寸為169.00 m×24.00 m×54.425 m(長×寬×高)，機組安裝高程為466.00 m，廠房內共安裝4臺單機容量為300 MW的單極立軸單轉速混流可逆式水泵水輪發電機組，機組中心間距為24.00 m；安裝場位于主廠房中部，進廠交通洞由上游側進廠；主變洞平行布置于主廠房下游，與主廠房間距為55.00 m，主變洞開挖尺寸為139.40 m×20.30 m×21.20 m(長×寬×高)；輸水系統采用一洞兩機布置方式，共設置2條輸水主洞、4條輸水支洞和4條尾水隧洞。

廠房布置區巖層較復雜，地層結構軟硬相間，廠房拱頂、巖錨吊車梁與邊墻、廠房底部及尾水管均位于軟巖層內，施工過程中會遇到一系列的工程地質問題。其中，主廠房內主要交叉洞口處的巖體穩定是主要的安全問題[1- 2]。影響交叉洞口處圍巖穩定因素較多，施工開挖順序對其產生直接影響[3- 6]。因此，必須合理擬定開挖程序及開挖分層，保證地下廠房按期、優質完工[7- 9]。本文利用三維非線性有限單元法模擬了3種不同的開挖方案，分析在不同開挖方案下交叉洞口處圍巖的變形狀態、應力狀態及塑性區分布，為施工提供依據。

2 計算模型

2.1 模型建立

根據主廠房位置及洞室布置型式、斷面尺寸，模擬地下廠房洞室群實際洞體結構，包括對廠房區圍巖穩定影響較大的6層軟巖(廠房拱頂上部、巖錨吊車梁與邊墻處、廠房底部與尾水管處)。軟巖與廠房位置見圖1。

圖1 地下洞室廠房與軟巖相對位置

計算范圍：廠房軸線方向取669 m，左側離主廠房左側墻體250 m，右側離主廠房右側墻體250 m；上游離主廠房上游墻250 m，下游離主變室下游墻200 m；垂直方向向下為主廠房底板以下200 m，向上為主廠房頂拱至地表。

坐標系：主廠房軸線方向為X軸，指向副廠房方向為正；垂直于主廠房軸線方向為Y軸，指向主變室方向為正；豎直方向為Z軸，向上為正。原點取在1號機組中心，高程為451.9 m。計算網格節點數為102 542個，單元數為594 312個。計算采用Mohr-coulomb屈服準則。有限元網格模型見圖2。

圖2 有限元網格模型

2.2 材料參數

洞室III類圍巖約占75%；IV類圍巖約占20%，以泥質粉砂巖為主；V類圍巖約占5%，為泥質粉砂巖、泥巖。軟巖4和軟巖5取IV類圍巖，其他軟巖取IV～V類圍巖，高程594 m以上?、驛類圍巖，高程594 m以下巖體?、驜類圍巖。材料參數取值見表1。

表1 材料參數

2.3 計算方案

地下洞室群的開挖分層見圖3。圖中，主廠房共分為8層(a～h層)開挖，主變室分為3層(①～③層)開挖，主變運輸洞(YS)及母線洞(MX)全斷面一次開挖。通過工程類比及對相關文獻的研究，本文模擬了3種典型開挖順序方案，地下洞室群分期開挖順序見表2。表中展示了每期開挖所包含的具體層數。

圖3 地下洞室群的開挖分層(高程：m)

3 計算結果與分析

為便于分析不同開挖方案對交叉洞口處的影響，選取了主廠房上下游墻交叉洞口處的若干關鍵點，對3種不同開挖順序下的圍巖變形、圍巖應力、圍巖塑性區進行研究分析，從而優選出最佳開挖方案。關鍵點位置見圖4。圖中，J1～J4表示4個進水洞，JC表示進場交通洞，M1～M4表示4個母線洞，W1～W4表示4個尾水洞。

表2 地下洞室群分期開挖順序

注：引水洞均是在主廠房第1層(a層)開挖完成后進行開挖；尾水洞均是與主廠房第8層(h層)一起開挖。

圖4 主廠房剖面關鍵點位置示意

3.1 圍巖變形

圖5為主廠房上下游墻關鍵點在各方案下的位移(位移指向下游為正)。從圖5可知，對于上游墻的關鍵點來說，方案1和方案2的位移值幾乎無差別，方案1略優，方案3的位移值較大，其中個別關鍵點比方案1、2的相應關鍵點大近10 mm；對于下游墻來說，3種方案的位移量值差別都不大。此外，所有關鍵點中，最大位移值在35 mm左右，出現在上游墻。針對圍巖變形量來考慮，方案1較好。

圖5 主廠房關鍵點位移

3.2 圍巖應力

圖6、7分別為主廠房上下游墻關鍵點在3種方案下的主應力(應力以拉為正，壓為負)。不管是主拉應力還是主壓應力，方案1和方案2的差別均較小，但方案1略優；方案3與另外2種方案差別較大，且相對來說，其應力值較不穩定。因此，方案1略優。

圖6 主廠房上游墻關鍵點主應力

3.3 圍巖塑性區

圖8分別為3種工況下主廠房上下游墻洞周圍巖塑性區分布。從圖8可知，3種不同開挖方案開挖完成后，塑性區分布規律是基本相同的，均表現為在軟巖3、軟巖6與主廠房交匯區域出現成片塑性區，分布長度(廠房軸線方向)與軟巖分布長度基本一致；分布深度(垂直于廠房軸線方向)最大值位于引水洞附近，約9 m。對于主廠房上游墻來說，方案3明顯較好，對于下游墻來說，方案1的塑性區損傷較小。

圖7 廠房下游墻關鍵點主應力

4 結 語

本文采用三維非線性有限元數值仿真計算，對軟巖條件下地下洞室群在3種不同開挖順序下的圍巖變形、圍巖應力、圍巖塑性區進行研究分析，得出如下結論：

(1)從圍巖變形量方面比較，方案1和方案2的位移值幾乎無差別，方案3的位移值相比較大，其中個別關鍵點比方案1、2的相應關鍵點大近10 mm。

(2)從圍巖應力方面比較，3種開挖方案下關鍵點的主應力值差別并不明顯，方案3雖然個別關鍵點的主應力值是最優的，但相對來說不穩定。綜合來說，方案1對圍巖應力擾動略小。

(3)從圍巖塑性區分布比較，3種不同開挖方案下開挖完成后圍巖塑性區均在軟巖3和軟巖6與主廠房交匯區域有分布，且分布長度與軟巖分布長度基本一致。其中，對于主廠房上游墻來說，方案3明顯較好，對于下游墻來說，方案1的塑性區損傷較小。

綜合以上3個參考量值，建議采用方案1，即“先洞后墻”開挖方案有利于軟巖區洞室開挖。本文分析方法對廠房開挖施工及后續的支護方案的設計優化具有指導意義。