巴基斯坦某水電站1號(hào)施工支洞圍巖穩(wěn)定性分析

李忠爽，蘇 星，胡金山，張青宇

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

為響應(yīng)“一帶一路”倡議，充分發(fā)揮我國(guó)在基建方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高巴基斯坦人民的生活現(xiàn)狀，促進(jìn)中巴兩國(guó)間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，兩國(guó)積極開(kāi)展水電水利工程的合作，巴基斯坦某水電工程就是其中的代表性項(xiàng)目。

該水電站項(xiàng)目的重點(diǎn)控制性工程之一為引水系統(tǒng)的建設(shè)，由于建設(shè)周期短，加之全程使用歐美規(guī)范，建設(shè)難度大。為了保證引水系統(tǒng)的安全可靠，支護(hù)設(shè)計(jì)方案選擇至關(guān)重要。合理的支護(hù)方案能夠加快工程進(jìn)度、節(jié)約工程成本。以引水系統(tǒng)1號(hào)施工支洞為例，應(yīng)用應(yīng)力釋放法進(jìn)行隧洞開(kāi)挖的有限元計(jì)算，驗(yàn)算支護(hù)方案的可行性、合理性，為支洞開(kāi)挖提供數(shù)值計(jì)算依據(jù)，也為巴基斯坦該區(qū)域類(lèi)似工程項(xiàng)目的圍巖穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

1 工程概況

依托巴基斯坦某水電站進(jìn)行圍巖穩(wěn)定計(jì)算分析，該水電站裝機(jī)容量為2.1萬(wàn)kW，采用引水式開(kāi)發(fā)，主要水工建筑物有大壩、進(jìn)水口、連接渠、沉砂池、引水隧洞、壓力前池、壓力管道、廠房等。引水隧洞布置在左岸，全長(zhǎng)3.9 km，穿山而過(guò)，有2個(gè)施工支洞，即1號(hào)施工支洞和2號(hào)施工支洞。1號(hào)施工支洞長(zhǎng)度為156.22 m，隧洞斷面為城門(mén)洞形，斷面尺寸為4.1 m×4.3 m(底寬×高)。

2 1號(hào)施工支洞地質(zhì)條件及支護(hù)設(shè)計(jì)

該水電站隧洞區(qū)屬低地應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力5.4 MPa，中主應(yīng)力3 MPa，最小主應(yīng)力1.5 MPa。1號(hào)施工支洞主要位于微風(fēng)化～中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖中，最小垂直埋深為10 m，最大垂直埋深為120 m。國(guó)外項(xiàng)目隧洞采用Bieniawski的巖體分級(jí)方法(RMR法)對(duì)隧洞進(jìn)行圍巖分類(lèi)，推測(cè)1號(hào)施工支洞圍巖主要以Ⅲ類(lèi)為主，其次為Ⅱ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)，總體上地質(zhì)條件較好。1號(hào)施工支洞巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)施工支洞巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范以及相似工程的類(lèi)比[1]，Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)圍巖支護(hù)間距定為4 m、3 m和2 m。支洞支護(hù)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 1號(hào)施工支洞支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)該工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，錨桿安全系數(shù)(與屈服極限相比)為1.75。使用500 MPa的錨桿時(shí)，許用軸向應(yīng)力應(yīng)小于500/1.75=285.71 N/mm2。噴混層混凝土材料在持久和瞬態(tài)情況下的分項(xiàng)系數(shù)為1.5，因此在計(jì)算中將1.5作為噴射混凝土安全系數(shù)。

3 計(jì)算理論及步驟

采用隧道工程中常用的“應(yīng)力釋放法”進(jìn)行支洞圍巖穩(wěn)定計(jì)算分析。隧道圍巖沿軸線的變形規(guī)律采用Unlu和Gercek(2003)提出的曲線計(jì)算公式[2](見(jiàn)公式1～4)，即縱向變形曲線(LDP曲線)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Rp為從隧洞中心到塑性區(qū)最外邊緣的距離，m；u0為隧洞徑向位移，m；Rt為隧洞半徑，m；X為支護(hù)間距，m；umax為最大徑向位移，m。

利用Phase2軟件逐級(jí)求解開(kāi)挖后不同地應(yīng)力釋放率對(duì)應(yīng)的隧道圍巖變形值，可得到SDP曲線(應(yīng)力釋放率和變形曲線)。

計(jì)算步驟如下:

(1)計(jì)算支洞圍巖地應(yīng)力釋放率，確定最大塑性區(qū)半徑以及最大徑向位移值，得到LDP曲線和SDP曲線；

(2)根據(jù)支護(hù)間距，確定此時(shí)的圍巖應(yīng)力釋放率，并施加相應(yīng)的支護(hù)措施，釋放剩余的圍巖應(yīng)力，計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)并進(jìn)行比較。

4 計(jì)算模型

隧洞成洞以及變形受地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水等多方面影響，1號(hào)施工支洞未見(jiàn)明顯地質(zhì)構(gòu)造，地下水影響微弱，因此影響變形主要因素為巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及地應(yīng)力。結(jié)構(gòu)對(duì)巖體的影響體現(xiàn)在巖體物理力學(xué)參數(shù)上，并進(jìn)行了相應(yīng)折減。較深埋(120 m)條件相比，淺埋地應(yīng)力小，支護(hù)措施相同時(shí)，若深埋計(jì)算滿(mǎn)足要求，淺埋必然滿(mǎn)足。根據(jù)施工支洞工程地質(zhì)條件，分別選取深埋條件下Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)以及Ⅳ類(lèi)圍巖的典型剖面進(jìn)行計(jì)算。Ⅳ類(lèi)圍巖有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 Ⅳ類(lèi)圍巖有限元模型

5 計(jì)算結(jié)果分析

LDP曲線和SDP曲線計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 LDP曲線和SDP曲線計(jì)算結(jié)果

各典型剖面計(jì)算結(jié)果云圖如圖3所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析[3-6]如下:

圖3 各典型剖面計(jì)算結(jié)果云圖

(1)Ⅱ類(lèi)圍巖在無(wú)支護(hù)情況下，最大變形為1 mm，圍巖變形小，基本不存在塌方的可能，無(wú)需系統(tǒng)支護(hù)；為保證臨時(shí)施工安全，可根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖情況適當(dāng)增加隨機(jī)錨桿。

(2)Ⅲ類(lèi)圍巖塑性區(qū)大部分貫通，存在掉塊、局部小塌方的可能。錨桿軸力圖中，最大軸向應(yīng)力為113.629 MPa，小于許用軸向應(yīng)力285.71 MPa，錨桿運(yùn)行正常。噴混層各單元點(diǎn)均在安全系數(shù)為1.5包絡(luò)線內(nèi)，支護(hù)措施的選取滿(mǎn)足承載要求。

(3)Ⅳ類(lèi)圍巖塑性區(qū)已貫通，在無(wú)支護(hù)情況下，會(huì)發(fā)生塌方。在錨桿軸力圖中，最大軸向應(yīng)力為242.476 MPa，小于許用軸向應(yīng)力285.71 MPa，錨桿運(yùn)行正常。噴混層及掛網(wǎng)鋼筋各單元點(diǎn)均在安全系數(shù)為1.5包絡(luò)線內(nèi)，滿(mǎn)足承載要求。

(4)Ⅱ類(lèi)圍巖模型中，最大位移出現(xiàn)在邊墻。由分析可知，主要受地應(yīng)力影響，最大主應(yīng)力方向垂直于邊墻；從Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖模型位移變化云圖可看出，當(dāng)圍巖強(qiáng)度較高時(shí)，仍表現(xiàn)為邊墻位移最大的變化特征，隨著圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，錨桿及噴混層發(fā)揮作用，限制位移進(jìn)一步發(fā)展，最大位移出現(xiàn)由邊墻轉(zhuǎn)為底板。

(5)從錨桿軸向應(yīng)力圖可以看出，靠近臨空面的錨桿端部及中部承受更大的軸向應(yīng)力，錨桿尾部承受應(yīng)力較小；起拱線至頂拱處的三根錨桿較邊墻受力更大。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，可對(duì)錨桿進(jìn)行優(yōu)化，降低左右邊墻錨桿的標(biāo)號(hào)。

6 結(jié)論和建議

本文應(yīng)用Phase2軟件對(duì)1號(hào)施工支洞3個(gè)典型剖面進(jìn)行了有限元計(jì)算，得出以下結(jié)論和建議。

(1)根據(jù)計(jì)算成果分析，1號(hào)施工支洞的開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)(錨桿及噴混層)均滿(mǎn)足圍巖穩(wěn)定要求。根據(jù)噴混層的安全系數(shù)圖，噴混層的設(shè)計(jì)是合理的；根據(jù)錨桿的軸向應(yīng)力圖，錨桿的設(shè)計(jì)是可行的，但邊墻兩側(cè)的錨桿最大軸向應(yīng)力小于100 MPa，可以進(jìn)一步優(yōu)化，節(jié)約工程投資。

(2)根據(jù)1號(hào)施工支洞的變形特性，可進(jìn)一步分析出，水平地應(yīng)力大于垂直地應(yīng)力的城門(mén)洞形巖質(zhì)隧洞，當(dāng)圍巖強(qiáng)度較高時(shí)，表現(xiàn)為邊墻位移最大的變化特征；當(dāng)圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，錨桿及噴混層發(fā)揮作用，限制邊墻及頂拱位移進(jìn)一步發(fā)展，最大位移的出現(xiàn)由邊墻轉(zhuǎn)為底板。