軟巖中豎井開挖的支護分析

李 輝

（新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

在工程實踐中支護措施常見的選擇錨桿支護，通過錨桿和圍巖協(xié)同，盡量將圍巖形變、位移與裂縫的發(fā)育縮小[1-2]。地下洞體開挖改變巖體應力分布情況，當洞體無法承擔巖體載荷時，如果不及時進行支護加固，極易發(fā)生塌方事故。隨著西部大開發(fā)的逐漸深入，水利水電建設不斷開展，軟巖中豎井開挖工程逐漸增多。在工程前期及工程中做好支護工作，關系著工程質量及安全。

新疆ATL水電站閘門豎井開挖工程位于布爾津河上游干流，是布爾津河規(guī)劃開發(fā)的第五個梯級電站。是一座以發(fā)電為主，兼有灌溉、供水效益的水利水電樞紐工程，也是新疆某地區(qū)目前投資規(guī)模、裝機容量最大的單體水電站。電站總裝機容量11萬kW，年有效發(fā)電量達3.91億kW·h，水庫總庫容為9400萬m3。探究不同支護方式選擇問題。通過依據(jù)彈塑性力學的支護原則與結構力學支護原則，選擇各種支護方案。經(jīng)過計算分析等效塑性應變、塑性區(qū)、形變與結構應力3個方面的指標，獲得最佳的支護方案體系，保證施工質量與安全。

1 計算推導分析

Mohr-Coulomb屈服準則主要體現(xiàn)巖土材料受力時和球應力、偏應力等受力情況，多用于巖土工程界[3]。

設定 σ1＞σ2＞σ3，則 Mohr-Coulomb 屈服準則計算主應力公式見公式（1），最后整理后見公式（2）：

其中，黏聚力用C表示，內(nèi)摩擦角用φ表示，應力張量第一不變量用I1表示，偏應力張量第二不變量用J2表示，應力Lode角用 θσ表示，第一、第二、第三主應力依次利用 θ1、θ2、θ3表示。

2 案例分析

引水隧洞位于地形右側坡度變化很大的河谷處，上部坡度達到50°，甚至65°，左側坡度變化較小，呈現(xiàn)左低右高的V型。基于地形限制，引水隧洞入口附近山體內(nèi)開挖閘門豎井。

2.1 計算推導與材料介紹

引水隧洞閘門井開外橫截面尺寸為8.6 m×10.2 m，豎直方向高程在2276.5 m～2394.6 m，其地質條件為：風化、卸荷地帶，巖體不夠完整，結構松散，圍巖屬于V類，該工程的難點主要為閘門井圍巖穩(wěn)定性評價與支護方式的確定。經(jīng)過地質勘查，閘門井位置的巖體沒有地下水，僅考慮開挖穩(wěn)定性即可。

經(jīng)過綜合考慮，開挖時選擇噴錨進行加固，鎖口梁利用間隔為0.5m×0.5m的5m的錨桿加固，門井附近選擇間隔0.8 m×0.8m的4.6 m與6.2 m的錨桿間隔方式進行加固，并將18cm厚的C25混凝土層噴射在內(nèi)表面掛網(wǎng)。考慮到門井上部分地質條件差，所以計算時將上半部分襯砌設定為65 cm，下半部分維持25 cm厚度的計算條件。

計算分析分為6種情況：①無襯砌；②僅有錨桿支護；③僅有25 cm厚混凝土襯砌；④上半部分65 cm與25 cm厚混凝土襯砌；⑤25 cm厚混凝土襯砌與錨桿支護；⑥上半部分65 cm與下半部分25 cm厚混凝土襯砌配合錨桿支護。參考地質研究文獻[4-6]，查的材料參數(shù)標量整理成表1。依照地質勘查情況，超過高程2349.56 m的部分圍巖結構松散，不夠完整，計算分析時取定V類圍巖參數(shù)的低值；低于高程2349.56 m的部分圍巖計算分析時取定V類圍巖參數(shù)的高值。

荷載重點包含圍巖和結構的重量。計算時第一步要模擬閘門井周圍圍巖的初始重力，第二步對其開挖和支護時的重力進行模擬計算[7-9]。

表1 材料物理力學相關參數(shù)匯總表

2.2 計算模型搭建

基于閘門井附近的地質情況，搭建三維立體有限元模型。設定引水隧洞水流方向是X軸正方向，豎直方向是Y軸正向。模型在X軸上長度范圍是66.5 m，Y軸上高程范圍是2276.5 m～2394.6 m；Z軸計算長度設定值是46.6 m。具體有限元模型實景圖如圖1所示。

圖1 三維立體有限元模型實景圖

2.3 計算結果分析

影響結構安全的因素很多，要充分結合影響因素決定利用何種加固措施[10]。依據(jù)彈塑性力學的支護原則，錨桿務必透過塑性區(qū)來錨固在未產(chǎn)生塑性的基巖內(nèi)[11]。依據(jù)結構力學的原則[12]，結構形變必須在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，并且結構應力不得超過規(guī)范值。就如上兩個原則分析各種支護方案時軟巖的塑性區(qū)、位移與支護結構的應力情況。

2.3.1 軟巖塑性區(qū)

采取各種支護方式時，豎井開挖后軟巖中塑性區(qū)具體分布依次如圖2～圖7所示。通過圖2～圖7可以得出：當不采取支護措施時，塑性區(qū)影響深度高達22m，利用錨桿基本可以阻止塑性區(qū)的深層擴展，等效塑性應變最高值下降幅度可達約26%。混凝土襯砌能夠顯著降低塑性區(qū)范圍，65 cm厚襯砌與25 cm厚襯砌相比，其等效塑性應變最高值降幅達35%。當輔助錨桿后，塑性區(qū)的影響范圍變化不大，等效塑性應變最高值下降幅度約35%。所以，混凝土襯砌支護顯著性影響著塑性區(qū)，而錨桿對其影響微弱，在工程實踐中前期塑性區(qū)臨時支護可選擇錨桿支護，后期安全控制必須選擇混凝土襯砌支護。

圖2 方案1塑性區(qū)分布情況

圖3 方案2塑性區(qū)分布情況

圖4 方案3塑性區(qū)分布情況

圖5 方案4塑性區(qū)分布情況

圖6 方案5塑性區(qū)分布情況

圖7 方案6塑性區(qū)分布情況

2.3.2 軟巖位移

采取各種支護方式時，豎井開挖后閘室豎井的水平位移最高值整理成表2。通過表2中數(shù)據(jù)可以看出方案2的水平位移低于方案1的水平位移27.5%～29.6%，方案3的水平位移低于方案1的水平位移44.5%～51.5%，方案4的水平位移低于方案1的水平位移56.8%～67.1%，方案5的水平位移低于方案1的水平位移52.6.5%～58.3%，方案6的水平位移低于方案1的水平位移60.8%～67.5%。所以，閘室豎井邊墻的水平位移都很小，表明混凝土襯砌可以有效阻止洞壁形變。

表2 豎井邊墻水平位移最高數(shù)值表

2.3.3 結構應力

采取各種支護方式時，豎井開挖后錨桿的應力最高值整理成表3，襯砌混凝土應力最高值整理成表4。分析其計算數(shù)據(jù)，不難看出，僅在錨桿支護下，錨桿應力最大，并最高值出現(xiàn)在上半部分；選擇混凝土襯砌與錨桿支護與僅錨桿支護比較時，錨桿應力下降36.2%；襯砌混凝土厚度由25 cm變成65 cm厚時，錨桿的應力分布發(fā)生改變，最高值出現(xiàn)下半部分（下半部分襯砌厚度仍保持25 cm）。所以，選擇襯砌支護顯著影響著軟巖應力分布情況。

表3 錨桿應力最高數(shù)值表

表4 混凝土應力最高數(shù)值表

襯砌上的拉應力主要位于襯砌拐角外側，其應力高值一般多分布在上半部分基巖較差區(qū)域。改變襯砌厚度可顯著改變應力最高值，提升襯砌厚度可降低拉應力最大值，其最大幅度達到約64%左右。增設錨桿支護僅降低襯砌混凝土拉應力值11%。

3 結語

本文以位于軟巖地質的新疆ATL水電站閘門豎井開挖工程為例，探究不同支護方式選擇問題。通過依據(jù)彈塑性力學的支護原則與結構力學支護原則，選擇各種支護方案，經(jīng)過Mohr-Coulomb屈服準則計算分析得到如下結論：

（1）錨桿支護與混凝土襯砌支護相比，對軟巖塑性區(qū)發(fā)育阻止微弱，僅可做輔助性措施，混凝土襯砌支護作為主要支護措施。

（2）門井結構三維效應顯著，塑性應變微弱，塑性區(qū)范圍大，軟巖形變小；混凝土襯砌對軟巖形變影響遠大于錨桿作用。

（3）混凝土襯砌支護能夠改變軟巖應力布局情況，進而可改變錨桿應力，襯砌厚度達到某數(shù)值后對錨桿應力無影響。襯砌厚度與襯砌應力呈負相關關系，錨桿基本不影響襯砌應力數(shù)值與分布。

（4）對比錨桿支護，混凝土襯砌顯著影響著軟巖塑性區(qū)、軟巖形變與軟巖的應力。所以軟巖地質條件下豎井開挖時主要支護措施為混凝土襯砌支護，錨桿支護僅作為臨時輔助性措施。