前坪水庫安山玢巖洞室圍巖穩(wěn)定分析

趙健倉　李永新　來光　唐建立　皇甫澤華

摘 要：圍巖穩(wěn)定性是地下建筑物安全和使用首要的考慮條件，同時制約工程建設、影響后期建筑物運行安全。洞室圍巖失穩(wěn)是一個受諸多因素影響和制約的復雜過程。在闡述前坪水庫泄洪洞圍巖基本特性的基礎上，簡要分析圍巖應力分布的特點、應力重分布規(guī)律以及圍巖變形破壞的因素，運用等效內(nèi)力計算及現(xiàn)場監(jiān)測手段，找出工作區(qū)圍巖應力重分布后應力最大部位，明確了洞室襯砌設計的關鍵部位。工作區(qū)監(jiān)測資料反映圍巖位移變化符合“破壞—支護—平衡”的規(guī)律，同時位移曲線也呈現(xiàn)出較為明顯的S形曲線走勢，根據(jù)位移曲線可確定初期噴錨支護后圍巖應力重分布達到新平衡的時機，達到了充分發(fā)揮圍巖自承能力的目的。

關鍵詞：圍巖失穩(wěn);應力重分布;圍巖應力;圍巖監(jiān)測;圍巖自承能力;前坪水庫

中圖分類號：TV222?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.018

Stability Analysis of Cavern Surrounding Rock of Andesitic Porphyrite of Qianping Reservoir

ZHAO Jiancang1， LI Yongxin1， LAI Guang1， TANG Jianli1， HUANGFU Zehua2

（1.Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China;

2.Henan Qianping Reservoir Construction Administration， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：The stability of surrounding rock is an initial consideration condition of the safety and operation for underground building and it also restricts the construction of engineering works and affects the safe operation in the later stage. The instability of cavern surrounding rock is a complicated process which is influenced and restricted by many factors. Based on the elaboration of the basic characteristics of discharge surrounding rock of the reservoir， the paper briefly analyzed the characteristics of stress distribution of surrounding rock， law of stress redistribution and factors of deformation and failure of surrounding rock， found out the maximum part of stress of the working area after stress redistribution by using the method of equivalent internal force calculation and field monitoring and made clear the key part of lining design. The monitoring data of working area shows that the displacement variation of surrounding rock complies with the rule of “damage-support-balance”， the displacement curve also shows obvious s-curve trend and achieves the purpose of fully playing the self bearing capacity of surrounding rock based on the opportunity of reaching to the new balance after stress redistribution of shotcrete-bolt support at early stage.

Key words： surrounding rock instability; stress redistribution; surrounding rock pressure; monitoring of surrounding rock; self bearing capacity of surrounding rock;Qianping Reservoir

隨著技術經(jīng)濟的發(fā)展，地下洞室工程日漸增多，而其圍巖穩(wěn)定性是地下建筑物安全運行的重要前提條件，因此分析研究地下洞室圍巖的穩(wěn)定性顯得尤為重要[1-4]。自20世紀50年代開始，國外許多學者深入研究地下洞室群有關的穩(wěn)定性和支護問題，其中奧地利人L.V. Rabcewicz提出的新奧法理論（New Austrian Tunneling Method，簡稱NATN）最具代表性[5-6]。20世紀60年代初我國開始洞室噴錨支護技術的推廣和應用，到20世紀80年代我國地下廠房圍巖的剛性支護才完全轉(zhuǎn)變?yōu)閲婂^支護，國內(nèi)較早應用噴錨支護技術的主要有吉林白山電站、云南魯布格電站、小浪底水庫等大型水利工程地下廠房。

自然狀態(tài)下，長期應力歷史作用使得巖體一般處于平衡狀態(tài)，然而洞室開挖引起其周圍巖體卸荷，圍巖將在卸荷回彈作用下產(chǎn)生應力重分布。準確分析和評價洞室穩(wěn)定性是施工前的重要環(huán)節(jié)，然而其周邊工程地質(zhì)環(huán)境具有不可預測性和較大的不確定性，以及施工過程的不確定性，造成實際工程中難以準確評價洞室的穩(wěn)定性。

總體來說，圍巖穩(wěn)定性遵循一定規(guī)律，當圍巖巖體堅硬且完整時，卸荷回彈和應力重分布一般只引起較小的圍巖應力，此時不會發(fā)生圍巖過大變形或破壞，這種情況下地下洞室不采取加固措施也能保持自穩(wěn);當巖體本身強度較低或者有軟弱夾層、斷層及破碎帶等不良地質(zhì)情況時，伴隨巖體卸荷發(fā)生的回彈應力及重分布應力一般會超過圍巖適應能力，導致洞壁局部或整體喪失穩(wěn)定性[7-8]。因此，較軟弱巖體或斷層等不良地質(zhì)條件處的洞室開挖后，若未及時采取有效加固措施或加固措施不適當，則可能引發(fā)工程事故，給洞室施工及后期運營管理留下安全隱患[9-10]。現(xiàn)階段，洞室穩(wěn)定性評價一般根據(jù)工程地質(zhì)條件、圍巖特征結(jié)合工程類比和經(jīng)驗判斷確定，并在此基礎上確定支護加固措施。本文在三維數(shù)值分析的基礎上結(jié)合前坪水庫泄洪洞圍巖應力監(jiān)測確定圍巖應力及最大應力分布位置，確定圍巖初期支護后應力平衡時間，為經(jīng)濟合理地實施二次混凝土襯砌提供依據(jù)。

1 工程區(qū)地質(zhì)概況

河南省前坪水庫泄洪洞洞身段建基面高程為349.64～360.00 m，巖性主要為微弱風化下帶安山玢巖，具典型的“硬、脆、碎”特征，呈塊狀構(gòu)造、碎裂結(jié)構(gòu)，巖體裂隙較為發(fā)育，但結(jié)構(gòu)面短小、延展差，張開裂隙由鈣質(zhì)充填膠結(jié)，巖塊間嵌合較好，尤其北西向及北東向陡傾角閉合裂隙發(fā)育，洞體受北東向裂隙構(gòu)造影響較大，巖層透水率為0.41～1.73 Lu。泄洪洞圍巖巖性主要為安山玢巖，其塊狀構(gòu)造、碎裂結(jié)構(gòu)、裂隙多呈閉合狀的特點決定其圍巖穩(wěn)定性主要受巖體自身結(jié)構(gòu)的制約。

根據(jù)勘測資料，洞身段圍巖類別為Ⅲ類。泄洪洞洞身采用城門洞式結(jié)構(gòu)，洞身范圍內(nèi)安山玢巖抗壓強度（飽和單軸）平均為64.7 MPa，普氏系數(shù)f=6～8。

2 圍巖應力分析

2.1 應力分析的必要性

泄洪洞洞室圍巖為碎裂結(jié)構(gòu)，巖體本身存在非均質(zhì)性、不連續(xù)性、各向異性、非線性、時間相關性等明顯特點[11]，勘察及后期施工中均未發(fā)現(xiàn)巖體中存在連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面，也未見地下水，因此開挖后的重分布應力就成為制約洞室穩(wěn)定性的主要因素。隧洞開挖后原巖應力狀態(tài)受到破壞，圍巖發(fā)生不均勻位移，周邊巖體通過應力調(diào)整來抵御不均勻位移。重分布應力將引起圍巖各質(zhì)點沿最短距離向洞壁方向移動，直至新的平衡產(chǎn)生[12-13]。在應力重分布發(fā)展過程中圍巖受力狀態(tài)也會發(fā)生變化，原有應力的大小及主應力的方向均會發(fā)生一定改變，導致巖體內(nèi)原本處于緊密壓縮狀態(tài)的部位出現(xiàn)部分松脹、部分擠壓情況。在這種主應力強烈分異情況下，最不利應力條件將出現(xiàn)在洞室周邊，極易引起洞室圍巖破壞[14]。工程經(jīng)驗表明，在適當滯后支護或柔性支護等條件下，圍巖將產(chǎn)生一定變形來釋放部分應變能，從而達到降低作用在襯砌結(jié)構(gòu)上圍巖應力的目的。但是，如果遲遲不進行襯砌，圍巖發(fā)生過大變形后，其自身承載能力將大大減小[15]，因此確定合理的支護時機顯得尤為重要。

2.2 圍巖應力重分布的一般特點

泄洪洞洞身段主要位于微弱風化下帶安山玢巖中，其開挖凈寬9.70 m、凈高12.60 m（包含拱矢2.71 m），拱頂中心角為117°。洞室開挖采用兩層三區(qū)法施工（見圖1），上下分為兩層，下層再從中間分為左右兩個作業(yè)面。施工時，先開挖上層，上層掘進一定進尺后進行下部開挖，而后上下兩層同時循環(huán)掘進。

隧洞開挖后，在二次應力狀態(tài)下，圍巖發(fā)生應力偏轉(zhuǎn)的巖體承載自身的重力和上部不穩(wěn)定荷載，引起上方圍巖產(chǎn)生拱結(jié)構(gòu)切向壓緊區(qū)域[16]。此時，若回彈應力或重分布應力超過圍巖能夠承受的作用，則勢必導致圍巖發(fā)生塑性變形直至破壞。洞室破壞后，周圍巖體將形成新的松動帶或松動圈，再次調(diào)整圍巖應力狀態(tài)，使應力集中區(qū)向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，逐漸形成新的應力分帶[17]。一定條件下，圍巖應力集中區(qū)是有一定分布范圍的，根據(jù)圣維南原理，洞室開挖卸荷引起的圍巖應力重分布主要局限在3～5倍洞室開挖跨度范圍內(nèi)。

2.3 等效內(nèi)力分析

為簡化問題，本次計算洞室圍巖豎向初始應力σz采用的公式為

σz=ρhg（1）

式中：ρ為巖石密度;g為重力加速度;h為計算點的埋深。

同時，假設水平向地應力與豎向地應力相同。安山玢巖節(jié)理雖比較發(fā)育，但皆緊密閉合，根據(jù)資料，變形模量E=5×104 MPa，密度ρ=2.64 g/cm3，泊松比μ=0.25 MPa，摩擦系數(shù)F′=0.80，內(nèi)聚力C′=0.70 MPa。選取典型斷面0+065、0+110、0+275、0+450進行了三維數(shù)值分析，模型范圍為隧洞兩側(cè)及下部均取5倍洞徑，隧洞以上取至山頂。計算結(jié)果顯示：典型斷面上典型點圍巖最大位移為5.07 mm、圍巖第一主應力接近0.767 MPa，均發(fā)生在進口漸變段，主要受豎井開挖卸荷影響。其余斷面最大位移為3.27 mm，表明巖體抗剪強度較高，處于彈性狀態(tài);其余斷面第一主應力最大值為0.014 MPa，低于混凝土抗拉強度，第三主應力為-5.63 MPa，發(fā)生在進口段邊墻底部。

考慮泄洪洞采取城門洞式設計，其結(jié)構(gòu)及受力近似對稱，在典型斷面上進行等效應力分析時可取洞室一半進行分析，洞室襯砌截面典型應力計算點編號見圖2。為方便分析洞室各部位受力情況，數(shù)值分析計算成果轉(zhuǎn)化為內(nèi)力（軸力、剪力、彎矩等）。軸力、剪力、彎矩計算公式分別為

N=∑Ki=1Fxi（2）

M=∑Ki=1liFxi（3）

τ=QA（4）

式中：Fxi為等效內(nèi)力計算出的i節(jié)點處沿坐標軸x的節(jié)點力;Q為截面剪力;N為換算出的截面軸力;M為截面彎矩;τ為截面剪應力;li為等效內(nèi)力計算i節(jié)點的力臂;A為受剪截面面積。

把內(nèi)力換算為等效內(nèi)力，換算示意見圖3。

應力計算結(jié)果見表1。計算表明：正常蓄水期墻底部局部應力較高，洞壁應力遠低于圍巖飽和單軸抗壓強度，說明洞室圍巖總體是穩(wěn)定的，但設計時應注意加強應力集中區(qū)的配筋。

2.4 圍巖監(jiān)測

洞室圍巖的變形是地質(zhì)水文條件、施工方法、施工氣候條件等諸多因素共同影響的綜合反映。鑒于地質(zhì)條件的復雜性及現(xiàn)有勘探手段的局限性，當下無法完全掌握現(xiàn)場地質(zhì)條件。目前圍巖應力分析理論均基于一定的概化假設，參數(shù)選取存在一定人為因素，分析所得的圍巖應力情況及相應應力變化規(guī)律等并不完全符合現(xiàn)場實際情況。根據(jù)經(jīng)驗分析，現(xiàn)場開挖后，圍巖穩(wěn)定條件在一段時間內(nèi)處于動態(tài)變化之中，特別是在初期支護后，疊加施工質(zhì)量的差異使得圍巖應力變化更加復雜。

基于以上因素并結(jié)合目前發(fā)展的狀況來看，工程中引入圍巖應力監(jiān)測手段就成為一種直觀反映圍巖應力及其變化規(guī)律，印證圍巖應力計算成果，進而根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)及時調(diào)整設計的一種有效手段。因此，今后相當長的一段時間內(nèi)需要特別關注圍巖監(jiān)測反饋信息，根據(jù)監(jiān)測反饋信息分析洞室圍巖變形特征、優(yōu)化反分析本構(gòu)模型及反分析方法、支護結(jié)構(gòu)受力分析等。

前坪水庫泄洪洞洞室圍巖巖性為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)安山玢巖，具有典型的“硬、脆、碎”特點，圍巖中短小結(jié)構(gòu)面發(fā)育[18]，其對現(xiàn)有計算模型的適用性更需要圍巖監(jiān)測資料印證。為此，在工程施工中，洞內(nèi)布置多點位移計進行監(jiān)測，共布置4個監(jiān)測斷面，其樁號分別為0+065、0+255、0+325、0+455，每個斷面分別在左、右直墻底，直墻與拱矢交接部位以及頂拱部位典型點布置位移計，監(jiān)測儀器布置見圖4。其中，0+065典型斷面位移計監(jiān)測結(jié)果見表2。

2.5 圍巖變形分析

通過分析4個監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最大位移位于墻底處、拱頂部位位移一般較小，與等效內(nèi)力分析結(jié)果基本一致。位移計安裝后，其監(jiān)測到的變形呈增長趨勢，在施工期間，隨著開挖的不斷進行，圍巖變形不斷增大（見圖5）。隨著下道開挖完成，洞室錨噴支護完成后位移增長趨勢逐漸變緩，至固結(jié)灌漿施工結(jié)束后其變形才趨于穩(wěn)定（見圖6）。典型測孔如BX3-1測孔，左拱座最大變形為10.79 mm;右拱座次之，最大為7.48 mm;頂拱變形最小，為3.48 mm。至2017年1月洞室開挖結(jié)束并進行錨噴支護施工完成后，變形速率明顯減小;自2017年3月以來，圍巖變形速率小于0.01 mm/d，表明圍巖一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

雖然圍巖變形受諸多復雜因素影響，但是通過分析工作區(qū)監(jiān)測資料可以發(fā)現(xiàn)，其位移變化符合“破壞—支護—平衡”的規(guī)律，即位移量隨時間延長逐步收斂，同時位移曲線呈現(xiàn)出較為明顯的S形走勢，且大致可分為3個階段（見圖7）。圖7 圍巖典型變形曲線

（1）第一階段。主要是儀器安裝后封孔水泥漿收縮與圍巖變形共同作用，但以水泥收縮影響為主，直至儀器受拉達到最大值為止，此時水泥漿收縮與圍巖變形達到相對平衡，該時段測量數(shù)據(jù)一般很難準確反映圍巖變形情況。

（2）第二階段。以圍巖變形為主，該階段變形主要為開挖后圍巖應力釋放所致，至初期支護完成后，達到短暫平衡狀態(tài)，以及下臺階開挖后打破上臺階圍巖初期形成的平衡，位移量出現(xiàn)增長，至下臺階施工完畢噴錨支護后，其變形量逐步收斂，圍巖與支護環(huán)構(gòu)成新的相對平衡受力體系。

（3）第三階段。組合拱形成，支護體系新增應力逐步減小，圍巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。此時為二次襯砌混凝土的最佳時機。

2.6 數(shù)值分析結(jié)果與圍巖監(jiān)測結(jié)果對比

隧道圍巖新奧法施工中需要及時的洞壁圍巖收斂及支撐結(jié)構(gòu)受力情況等監(jiān)測信息，以此來判斷數(shù)值分析結(jié)果和工程經(jīng)驗確定的設計參數(shù)及施工工藝的合理性，達到信息化動態(tài)控制施工過程的目的。根據(jù)上述分析可得到以下結(jié)論：①洞壁應力最大值出現(xiàn)在直墻底，其次為洞頂，邊墻部位最小，數(shù)值分析結(jié)果與位移測量結(jié)果在規(guī)律上是一致的;②多點位移計雖不能直接測量圍巖應力情況，但其反映的圍巖位移情況可間接證明數(shù)值分析結(jié)果的合理性;③綜合分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果說明，碎裂結(jié)構(gòu)巖體數(shù)值計算中力學參數(shù)及邊界條件取值是合理的，結(jié)果是可信的。

3 結(jié) 語

目前，信息化施工、設計以現(xiàn)場量測為主要手段，現(xiàn)場測量能及時在施工過程中向設計、施工方反饋圍巖變形及受力狀態(tài)的各種量測結(jié)果，為充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，減小圍巖應力，確定合理的支護時間，以及采用經(jīng)濟合理的支襯結(jié)構(gòu)設計提供重要依據(jù)[19]。

泄洪洞工程施工開挖后，現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)證明了等效應力計算結(jié)果的可靠性，通過等效內(nèi)力計算發(fā)現(xiàn)墻底處應力最大，是運營期相對薄弱部位，也說明圍巖應力重分布后該處應力最大，是圍巖失穩(wěn)破壞的關鍵部位，必須保證該處圍巖穩(wěn)定，將該處作為支護設計的重點。

泄洪洞工程施工前期圍巖變形持續(xù)加大，直至下層開挖完畢并完成錨噴支護后組合拱才逐步形成，支護體系應力逐步達到平衡，圍巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此在開挖下臺階時應保證上臺階初期支護已完成。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工程區(qū)鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體開挖初期支護一般15 d后洞室圍巖位移逐步收斂，約45 d應力充分釋放，圍巖在初期支護結(jié)構(gòu)的作用下達到新的應力平衡，此時圍巖應力最小，可進行模筑鋼筋混凝土二次襯砌。

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【責任編輯 張華巖】

收稿日期：2019-12-24

基金項目：河南省水利科技攻關計劃項目（GG201707）

作者簡介：趙健倉（1967—），男，河南方城人，高級工程師（教授級），主要從事水利工程勘察方面的研究工作

通信作者：來光（1971—），男，河南洛陽人，高級工程師（教授級），主要從事水利工程勘察方面的研究工作

E-mail：13643813587@163.com