某大型地下硐室不良地質體變形及控制措施研究

石廣斌 肖 清 魏娟盆 張 雯 洪 勇

(1.西安建筑科技大學資源工程學院,陜西 西安 710055;2.陜西省巖土與地下空間重點實驗室,陜西 西安 710055)

隨著我國經濟的快速發展,深部資源得以開發,隨之而來的深部巖體所具有的特殊工程地質問題也更加地突出[1-4]。由于地下硐室群建在深部巖體中,開挖可能引起圍巖釋放壓力,導致大型硐室圍巖變形。當圍巖的變形超過周圍巖體的承受能力時,硐室群巖體發生滑動和破壞[5-8]。目前對大型地下硐室群圍巖破壞的研究方法主要有三維數值模擬法,如肖益蓋等[9]采用三維數值仿真模擬計算方法對某大型地下巖體開挖工程進行整體性穩定評價;代碧波等[10]依據礦山的開采計劃,建立了數值模型,分析了采動影響下巷道圍巖的應力、塑性區和位移變化規律。根據前期地質勘探資料顯示,某大型地下硐室群存在不良地質體,即PH擠壓帶為發育在T3Z2[3]巖組內的2條規模較大的碳質千枚巖帶,其物理力學指標在Ⅳ2類及以下,直接影響著大跨度地下硐室群圍巖穩定。因此,本研究將通過三維彈塑性有限元方法模擬硐室群巖體開挖的力學過程,基于塑性區分布建立力學模型。根據毛洞開挖圍巖變形提出永久性和連續性措施,為硐室群圍巖支護措施的制定提供科學的依據。

1 工程地質概況

某大型地下硐室群位于左岸下壩線稍靠下游山體內,主要由主廠房和主變室等平行布置,硐室群垂直最大埋深為250 m,主廠房開挖尺寸(長×寬×高)為183.0 m×25.8 m×65.25 m,主變室開挖尺寸(長×寬×高)為117.2 m×16.5 m×30.8 m,硐室群間距為39.2 m。

硐室群出露地層巖性為三疊系上統雜谷腦組上段(T3Z2)薄～厚層狀變質細砂巖夾碳質千枚巖。其外圍構造簡單,無大斷層通過,根據前期地質勘探揭露該硐室群存在不良地質體,主要為層間擠壓錯動帶(PH條帶)(圖1)。PH條帶的物理力學指標等同于Ⅳ2類圍巖,在此地質條件下對大跨度地下硐室群開挖將面臨圍巖變形較大,從而造成圍巖變形失穩或破壞。考慮邊界條件、荷載情況等,力學參數值見表1。

圖1 工程地質圖Fig.1 Engineering geological map

表1 巖體質量分級及力學參數Table 1 Rock mass quality classification and mechanical parameters

2 圍巖力學本構模型

硐室群巖體開挖過程中,圍巖初始應力因破壞而重新分布,當釋放的應力大于圍巖強度時,圍巖產生的屈服破壞轉變成塑性變形,為防止硐室出現坍塌,硐室群圍巖的破壞問題多采用Mohr-Coulomb屈服準則。因此為便于分析,現假設硐室群圍巖為均質各向同性的連續介質,本研究在眾多研究者的基礎上[11、12],基于 Mohr-Coulomb屈服準則,考慮圍巖開挖—支護過程中錨固效應,對圍巖進行彈塑性分析。

3 不良地質體條帶寬度對圍巖穩定影響

3.1 數值分析模型

根據硐室群實際尺寸建立地下硐室群三維整體模型。模型坐標系采用右手法則,X軸平行于硐室群縱軸線,Y軸垂直于硐室群縱軸線,Z軸指向上為正。模型兩邊為Ⅲ類圍巖,中間為Ⅳ類圍巖(代表PH條帶),通過改變Ⅳ類圍巖的寬度,即PH條帶寬度,研究不良地質體寬度對圍巖穩定性的影響。計算模型邊界取開挖高度的3倍,模型四周采用法向約束,屈服準則采用莫爾—庫倫準則,硐室群開挖體模型單元示意見圖2,計算分析方案見表2。

圖2 開挖體單元模型示意Fig.2 Schematic diagram of excavated body unit model

表2 計算分析方案Table 2 Calculation and analysis plans

3.2 開挖分期組合

根據地下硐室群的布置,結合硐室群岔洞的結構特點和施工條件,對地下硐室群進行分層開挖,分期開挖組合見表3,分層高度示意見圖3。

表3 洞室群分期開挖順序Table 3 Staged excavation sequence of cavern group

圖3 地下硐室群分層高度示意(標高單位:m)Fig.3 Schematic diagram of the layered height of the underground chamber group

3.3 計算結果與分析

3.3.1 硐室群塑性區分布

根據計算分析方案,由三維數值模擬計算可得出,圍巖塑形應變見表4,上下游邊墻和頂拱塑性區分布最大深度與PH條帶寬度間的關系見圖4,部分計算分析方案的塑性區分布云圖見圖5。

表4 圍巖最大塑性區深度Table 4 Maximum plastic zone depth of surrounding rock

從圖4、圖5可看出,PH條帶寬度越大,圍巖塑性區變化越大,由于硐室間的相互作用影響,隨著地下硐室下部開挖,邊墻的塑性區不斷向深部發展,當全部圍巖類別為Ⅲ類時,主廠房的下游邊墻與主變室的上游邊墻之間的塑性區并未全部貫通。當有不良地質體存在時,硐室開挖結束后,主廠房下游邊墻與主變室的上游邊墻間的塑性區基本貫通,塑性區最大深度為40 m,此時硐室群圍巖極不穩定。

圖4 硐室群塑性區深度與PH條帶寬度間的關系Fig.4 The relationship between the plastic zone depth of chamber group and PH strip width

圖5 圍巖塑性區分布云圖Fig.5 Cloud map of the distribution of plastic zone of surrounding rock

總體上,隨著開挖次序增加,頂拱塑性區深度變化不大,基本處于穩定狀態,主廠房的上游邊墻塑性區分布最大深度為34.1 m,主變室下游邊墻塑性區分布最大深度為24 m。

3.3.2 圍巖變形

隨著不良地質體PH條帶寬度的增加,硐室群上游邊墻的變形要比下游邊墻的變形大,這主要受地應力傾向和相應洞室開挖的影響,部分開挖方案的圍巖位移變形圖見圖6。硐室位移相對收斂變化率如圖7所示,參照國家標準《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086—2015)[13],Ⅲ類圍巖允許相對位移收斂率在0.2%～0.50%,Ⅳ類圍巖允許相對位移收斂率在0.40%～1.20%。通過圖7可看出,隨著PH條帶寬度的增加,圍巖相對位移值隨之增大,當PH條帶寬度超過15 m時,圍巖允許相對位移收斂率超過1.2%,由此得出圍巖變形程度較大,必須在一定的支護措施下控制圍巖的穩定性。

圖6 硐室開挖圍巖變形圖Fig.6 Deformation diagram of surrounding rock in chamber excavation

圖7 圍巖位移相對收斂變化率Fig.7 Relative convergence rate of change of surrounding rock displacement

4 巖體變形控制措施及效應分析

4.1 支護參數設計

在第3節毛洞開挖圍巖塑性區和變形分析基礎上,依據國內外已建的相關工程實例和現行規范《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086—2015)[13]的基礎上,結合該地下洞室群工程的地質條件及樞紐特點,并參照最終確定的支護設計方案如表5。限于篇幅,只對PH條帶寬15m時的硐室群進行支護研究。

表5 地下硐室群系統支護參數Table 5 Supporting parameters of underground chamber group system

4.2 計算結果與分析

(1)計算方法及模型。計算模型在原無支護圍巖穩定計算模型基礎上增加錨桿、錨索及噴混凝土等支護措施,施工順序與無支護時相同,圍巖系統支護見圖8。

圖8 硐室群圍巖系統支護Fig.8 Supporting diagram of surrounding rock system of cave room group

(2)圍巖塑性區分布。開挖完成后的有無支護圍巖塑性區最大深度比較見圖9,有支護情況下的塑性區分布規律與無支護基本相同。硐室群圍巖支護后,主廠房上游邊墻塑性區分布最大深度為4 m,主變室下游邊墻塑性區分布最大深度為1.4 m,塑性區最大深度均未超過錨桿長度的70%,有效抑制了硐周破壞區發展。從計算結果分析,錨固支護有效縮減了塑性區深度變化,支護效果顯著,從支護后塑性區的分布情況看,各硐室圍巖穩定性得到安全保證。

圖9 硐室群開挖圍巖支護前后塑性區變化Fig.9 Changes of plastic zone before and after support of the cavern group surrounding rock excavation

(3)圍巖位移分布。為進一步對錨固效果進行對比,對有、無支護時的圍巖位移變化進行分析統計,見圖10。硐室群支護后,圍巖最大位移變形分布在上游墻,主廠房圍巖最大位移為360 mm,主變室圍巖最大位移為210 mm,與無支護相比,有支護時的圍巖最大位移明顯小于無支護時圍巖最大位移,硐周圍巖允許相對位移值為1.0%,說明錨固支護有效抑制了硐室群邊墻、頂拱的變形。

圖10 硐室群開挖圍巖支護前后位移變形Fig.10 Displacement and deformation before and after support of surrounding rock excavation of chamber group

5 結 論

以某大型地下硐室群巖體開挖為工程背景,通過前期的地質勘探得來的地質資料,利用三維有限元數值模擬分析軟件MIDAS-GTS/NX,基于莫爾—庫倫準則,對硐室群圍巖穩定進行彈塑性分析,采用不同的模擬開挖方案,對圍巖穩定進行研究分析,得出了以下結論:

(1)硐室群開挖完成后,主廠房的下游邊墻與主變室的上游邊墻塑性區基本貫通,延伸長度為40 m,但連接的范圍較小;由于邊墻效應,隨著開挖次序增加,硐室群的邊墻變形要比頂拱變形大。

(2)通過對不同開挖方案的計算分析,可得出圍巖穩定性與不良地質體寬度有關系,當不良地質體的寬度越大時,圍巖變形越大,圍巖越不穩定。

(3)采用不同的支護措施,根據地下硐室群圍巖特征,通過改變錨索粘結力計算可得出,不同的錨索粘結力對圍巖穩定性影響基本相同,有支護后的圍巖變形要比無支護時的圍巖變形要小。總之,通過系統地采取支護措施,有效減少了圍巖的變形,保證了硐室群開挖過程中的圍巖穩定要求,可為后續的施工提供安全可靠的技術支撐。