考慮復(fù)雜斷層及巖脈的地下硐室群開挖步序優(yōu)化研究

耿必君，張祥富，袁濤，鐘聚光，陳天樂

(湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南岳陽414500)

隨著中國新興能源的大規(guī)模開發(fā)利用，抽水蓄能電站得到迅速發(fā)展[1-4]。地下廠房作為抽水蓄能電站建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定性成為抽水蓄能電站建設(shè)的重中之重。地下廠房一般布置在高深山體內(nèi)[5]，圍巖地質(zhì)條件及巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是在地下廠房開挖施工過程中經(jīng)常受到構(gòu)造應(yīng)力及斷層破碎帶的干擾，導(dǎo)致施工停滯[6-7]。因此，采用合理的開挖步序?qū)τ诘叵聫S房硐室群開挖過程中的圍巖穩(wěn)定尤為重要。

對于硐室群開挖步序優(yōu)化研究，已有諸多學(xué)者開展。潘偉[8]針對廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站地下硐室群開挖方法進(jìn)行研究，認(rèn)為開挖過程應(yīng)滿足平面多工序要求；甘孝清等[9]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，對白蓮河抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究；董源等[10]結(jié)合實測資料，對白鶴灘水電站地下硐室群開挖過程中的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究；趙中強(qiáng)等[11]針對高跨度硐室開挖過程的圍巖穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，并采用數(shù)值方法獲得了開挖過程圍巖的位移及應(yīng)力場?？梢?，針對開挖過程圍巖穩(wěn)定性問題的研究已有諸多成果，但有關(guān)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中考慮圍巖復(fù)雜斷層及巖脈的地下硐室開挖步序優(yōu)化方法研究并不多見。斷層及巖脈夾層對圍巖的穩(wěn)定性存在巨大影響，一般在圍巖的破壞失穩(wěn)中起到控制性的作用[12-15]，地下廠房中的圍巖在開挖條件下，斷層及巖脈夾層因強(qiáng)度與其他完整性巖體相差較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成圍巖變形過大等問題?？梢?，在地下廠房開挖方法優(yōu)化分析中考慮復(fù)雜斷層及巖脈的效應(yīng)尤為必要。本文以某擬建抽水蓄能電站地下廠房硐室群為例，考慮多組復(fù)雜斷層及巖脈，采用FLAC3D建立含有復(fù)雜斷層及巖脈接觸面單元的三維數(shù)值模型，對不同開挖步序下廠房圍巖的變形及應(yīng)力變化規(guī)律展開研究，推薦比選最優(yōu)方案，為含有復(fù)雜斷層及巖脈地質(zhì)條件的地下廠房開挖施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 地下廠房硐室布置

所研究抽水蓄能電站工程樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)與發(fā)電廠房系統(tǒng)四部分組成。地下廠房硐室群圍巖巖性主要為中粒黑云母花崗巖，廠房頂拱上覆巖體厚330 m左右。地下廠房洞室群主要包括主廠房、地下副廠房、主變硐、母線硐等建筑物，是一組以主副廠房硐室為中心的地下硐室群，硐室布置見圖1。從上游引水水流方向看，依次平行布置主副廠房、主變硐和尾閘室3大硐室，主副廠房與主變硐之間的巖體厚度為40.0 m，主變硐與尾閘室之間的巖體厚度為25.0 m；主廠房與主變硐對應(yīng)各機(jī)組由母線硐連接，另有交通聯(lián)系硐連接主廠房和主變硐；安裝間布置在主廠房右側(cè)；進(jìn)廠交通硐從安裝場下游側(cè)進(jìn)廠。

主廠房硐室包括主機(jī)間、地下副廠房及安裝間，主廠房硐室開挖尺寸172.0 m×26.7 m×58.4 m(長×寬×高)。安裝場布置在主機(jī)間右端，長度為 41.0 m，寬度與主機(jī)間相同。地下廠房內(nèi)布置4條母線硐，其位置分別與每臺機(jī)組相對應(yīng)，母線硐長度為40.0 m。母線硐僅為一層，與主機(jī)間母線層地面同高程。母線硐硐內(nèi)凈空尺寸9.0 m×10.0 m(寬×高)。主變硐硐室開挖尺寸146.0 m×20.0 m×20.5 m(長×寬×高)，尾水支硐軸線間距24.0 m，內(nèi)徑5.1 m。四條尾水支硐經(jīng)尾水岔硐匯入一條尾水主硐，尾水主硐為圓形有壓硐，內(nèi)徑為11.5 m。

1.2 基本地質(zhì)條件

該地下廠房工程廠區(qū)巖體完整性較好，硐室圍巖新鮮。圍巖以Ⅱ 類為主，約占70%，節(jié)理較發(fā)育部位為Ⅲ 類，約占 25%；局部斷層破碎帶或蝕變巖脈屬Ⅳ～Ⅴ類圍巖，約占5%。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于 70 MPa，屬于堅硬巖類?？碧街ы瞎步衣稄S房圍巖周圍存在斷層4條、巖脈24條，斷層及巖脈相互交錯分布較為復(fù)雜，其中主廠房東北方向分布斷層夾層δf93和δf94及δf84，整體廠區(qū)有巖脈δ45貫穿，同時分布有部分貫穿的巖脈δ46及斷層δf81，見圖2。在本文計算中，為充分反映巖脈層及斷層對地下硐室開挖圍巖變形與應(yīng)力的影響，將著重考慮廠房區(qū)域圍巖厚度較大的主要巖脈層及斷層。

2 數(shù)值模型

2.1 計算模型

采用經(jīng)典有限差分巖土軟件FLAC3D[16]建立廠房硐室群三維計算模型，整體模型從上至下主要考慮全風(fēng)化巖層、弱風(fēng)化巖層、廠房圍巖及斷層和巖脈層等分布巖體。其計算范圍：平面范圍上游主廠房以上150.0 m，下游至尾水閘門室以下150.0 m，兩端為地下廠房開挖線以外150.0 m；垂直方向在主廠房底板最低高程以下150.0 m。整體數(shù)值模型X方向長度為421.0 m，Y方向長度為472.0 m，模型下邊界高程140.0 m，地面最大高程 834.0 m，見圖3。建立模型時，將δf93和δf94合并為厚度2.0 m的巖脈層，在三維模型中按實體單元加接觸面單元予以模擬，與地下廠房硐室群相切割的δf84按實體單元模擬，δf84兩側(cè)和δf81、δ45、δ46處設(shè)置接觸面單元進(jìn)行模擬，見圖3c。為了更好地研究地下廠房圍巖的各種力學(xué)特性，對開挖硐室附近的巖體部分區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理，而對遠(yuǎn)離硐室輪廓的區(qū)域采用較大尺寸的網(wǎng)格。開挖前整個三維計算模型單元數(shù)為163 190個，節(jié)點數(shù)為48 919個。

2.2 硐室群開挖步計算方案

為充分考察不同開挖步序?qū)S房圍巖變形與應(yīng)力的影響，建立4種開挖方案，著重分析圍巖14處特征測點及4個廠房斷面圍巖的力學(xué)響應(yīng)，揭示廠房圍巖在開挖條件下的變形力學(xué)特征。圖4為廠房開挖區(qū)，根據(jù)開挖步序的施工便捷性及經(jīng)濟(jì)性，以相同高程差圍巖為一區(qū)段的原則將主廠房分為7個開挖區(qū)，分別為I—VII；主變硐分為3個開挖區(qū)，分別為I—III；尾閘室分為2個開挖區(qū)，分別為I—II；母線硐分為一個開挖區(qū)，為I；尾水支硐分為一個開挖區(qū)為I。依據(jù)硐室各開挖區(qū)的開挖先后順序建立4種開挖計算方案，見表1。其中方案1、2分為7個開挖步，方案3、4為6個開挖步。

圖4開挖步序及特征測點和分析剖面分布

表1 計算方案1開挖步序

2.3 計算邊界及初始條件

計算邊界條件：模型底部采用位移固定約束，四周豎向邊界采用法向位移約束，模型上表面采用自由邊界。硐室圍巖實體單元及接觸面單元采用基于摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)勘探地質(zhì)資料，對各類圍巖計算參數(shù)取值，見表2、3。計算步驟為：第一步，生成初始地應(yīng)力場(位移清零)；第二步，按照擬定計算方案中的開挖順序進(jìn)行逐級開挖；第三步，利用fish語言編制的端口生成Tecplot后處理文件。

表2 計算模型基本參數(shù)1

表3 計算模型基本參數(shù)2

3 計算結(jié)果與分析

地下廠房圍巖在不同開挖條件下，其變形與應(yīng)力響應(yīng)均不同。限于篇幅，本文僅對具有代表性的1號機(jī)組軸線剖面(圖4b)及其特征位置的測點(圖4a)圍巖在不同開挖計算方案中的變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布展開研究，揭示不同開挖步序引起的圍巖卸荷對變形及應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

3.1 廠房圍巖變形分布

圖5為開挖條件下1號機(jī)軸線剖面的水平位移及豎向位移等值線分布，因其他計算方案等值線分布基本一致，故只給出了方案1的位移等值線分布，而各方案中特征測點的位移統(tǒng)計見表4。

從圖5可知，地下硐室群開挖完成后，圍巖水平位移及豎向位移值隨著離硐壁距離越大而減小，硐室圍巖的水平位移極大值出現(xiàn)在邊墻中部、鉛直方向的沉降極大值出現(xiàn)在硐室圍巖拱頂，卸荷回彈位移極大值出現(xiàn)在硐室底板中部，在斷層及巖脈與硐室開挖側(cè)壁相交位置，水平位移大小突變較小，而豎向位移大小突變較大，硐室圍巖在開挖條件下，斷層及巖脈夾層抗變形能力相對較低，導(dǎo)致巖脈兩側(cè)巖體形成上下錯動變形，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖豎向變形突變較大。表4數(shù)據(jù)表明，不同計算方案中主廠房、主變室及尾閘室由開挖卸荷回彈向硐室產(chǎn)生的水平位移主要集中在拱頂、上游邊墻等部位，最大位移達(dá)15.7 mm，沉降變形發(fā)生在主廠房拱頂位置，最大位移為5.6 mm，主廠房下游邊墻部位卸荷回彈豎向變形最大，達(dá)16.9 mm。這幾處部位在后續(xù)開挖施工中應(yīng)重點進(jìn)行觀測。

表4 特征測點的位移統(tǒng)計值

總體上，廠房硐室在不同開挖步序條件下，圍巖位移場變化不大。從各特征部位測點位移值來看，開挖步序方案2優(yōu)于其他計算方案。

3.2 廠房圍巖應(yīng)力分布

圖6為地下廠房在方案1開挖步序下的第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力等值線分布，圖中正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力。其他計算方案應(yīng)力等值線圖基本類似，不再給出，并統(tǒng)計了各計算方案1號機(jī)軸線剖面的最大第一主壓應(yīng)力和最大第三主拉應(yīng)力，見表5。綜合圖6及表5可知，地下硐室群開挖完成后，主應(yīng)力在三大硐室的拱頂、底板和邊墻中間部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛，拉應(yīng)力區(qū)主要分布在主廠房邊墻。此外，硐室拱座部位、硐室邊墻與底板交匯處、端墻和上下游邊墻交匯處以及巖脈出露處等局部位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。

圍巖卸荷回彈產(chǎn)生拉應(yīng)力作為圍巖拉裂破壞的主要內(nèi)在原因，有必要對主廠房邊墻圍巖拉應(yīng)力區(qū)分布情況進(jìn)行重點分析。圖7給出了4個開挖方案引起的主廠房邊墻拉應(yīng)力區(qū)分布。由圖可知，4個方案開挖引起的拉應(yīng)力區(qū)都出現(xiàn)在主廠房上游邊墻側(cè)，而在下游邊墻并未出現(xiàn)，分析其主要原因為：拉應(yīng)力的產(chǎn)生主要由圍巖地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，主廠房開挖過程中，兩側(cè)邊墻臨空區(qū)圍巖卸荷回彈，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。而隨著下游截面面積相對較大的尾水隧硐開挖時，主廠房下游邊墻主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)而使得其拉應(yīng)力相應(yīng)降低直至消失，造成拉應(yīng)力區(qū)只分布在上游邊墻位置。總體上，4個計算方案中形成的拉應(yīng)力區(qū)形狀相似，但范圍大小有所相差，其中方案2拉應(yīng)力范圍寬度最小為2.53 m，方案3拉應(yīng)力范圍區(qū)域?qū)挾茸畲鬄?.91 m。為防止出現(xiàn)拉應(yīng)力導(dǎo)致的圍巖拉裂破壞，開挖施工過程中應(yīng)對該部位進(jìn)行及時固結(jié)灌漿。

表5 各計算方案最大主應(yīng)力統(tǒng)計單位：MPa

3.3 廠房圍巖塑性區(qū)分布

分析地下廠房開挖條件下圍巖的塑性區(qū)分布可以認(rèn)識潛在圍巖破壞區(qū)域。圖8為計算方案1開挖步序所引起的圍巖塑性區(qū)分布，其他計算方案塑性區(qū)分布基本類似，不再給出。在4種開挖方案下，硐室圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律及部位基本相同，且塑性區(qū)主要分為2種情況：①由于巖脈巖體的抗剪強(qiáng)度低，大部分單元均出現(xiàn)剪切塑性區(qū)；②由于硐室開挖卸荷效應(yīng)及巖脈切割剪切變形，硐周圍巖體局部出現(xiàn)剪切與張拉塑性區(qū)。

表6為各方案開挖步序所引起的塑性區(qū)總體積。由表6可知，各施工方案條件下的塑性區(qū)體積均不大。七步開挖方案(方案1、2)條件下的塑性區(qū)體積均小于六步開挖方案(方案3、4)的結(jié)果，表明主廠房采用七步開挖方法有助于減少硐室圍巖的塑性區(qū)分布，圍巖穩(wěn)定性更好，方案2引起塑性區(qū)體積最小，為最優(yōu)方案。

表6 各計算方案塑性區(qū)體積 單位：m3

4 結(jié)論

采用三維數(shù)值模擬方法對4種開挖步序下廠房圍巖的變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

a) 廠房硐室在4種開挖步序工況下，圍巖位移場變化不大。硐室圍巖的水平位移極大值出現(xiàn)在邊墻中部，鉛直方向的沉降極大值出現(xiàn)在硐室圍巖拱頂，卸荷回彈位移極大值出現(xiàn)在硐室底板中部。斷層及巖脈與硐室開挖相交部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

b) 硐室圍巖應(yīng)力狀態(tài)整體良好，圍巖周邊局部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，主要分布在主廠房上游邊墻部位，但拉應(yīng)力值都不大。4種方案中，開挖步序方案2引起的拉應(yīng)力區(qū)范圍最小，方案3最大。

c) 4種設(shè)計開挖方案下硐室圍巖開挖整體安全穩(wěn)定性均良好，七步開挖方案(方案1、2)條件下的塑性區(qū)體積均小于六步開挖方案(方案3、4)的結(jié)果，表明主廠房采用七步開挖方法有助于減少硐室圍巖的塑性區(qū)分布。

d) 從圍巖變形量、特征應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)及塑性區(qū)分布等綜合判斷，4種施工步序方案均為可行方案，推薦方案2為該工程施工開挖的最優(yōu)方案。