板巖區地下廠房洞室群圍巖穩定性研究

李雯靜，任旭華，張繼勛，魏 鵬

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

板巖屬于軟巖的一種，地下工程在施工過程中穿越板巖巖層是無法避免的技術難題，針對板巖特性研究，學者們做了諸多的工作。孫會想[1]基于白鶴灘水電站左岸尾水連接管洞室群，利用500 μm顯微鏡觀察及室內力學試驗，對應力型破壞的圍巖結構面的機理進行分析，并提出相應舉措。侯國強[2]從軟巖隧道大變形特征和施工技術方面，針對斜井變形情況進行研究，并提出錨桿工藝改進方法。李慶松[3]采用有限元與離散元耦合的連續-非連續方法，對不同結構面傾角的碳質板巖中隧道的施工進行模擬，分析碳質板巖的受力和變形破壞特性。崔光耀等[4]針對麗香鐵路中義隧道出口平導玉龍雪山西麓斷裂破碎帶開展了圍巖大變形控制措施現場試驗研究。夏玉云等[5]對某水電站引水隧洞粉砂質板巖段洞室變形破壞特征進行分析。以上研究都體現出板巖是巖體中受力最差的區域，力學強度較低，遇水軟化，在施工過程中極易造成掌子面失穩、圍巖坍塌。因此，對板巖區地下廠房洞室群的圍巖穩定性研究非常必要。

基于此，本文依托某大型水電站工程，采用橫觀各向同性彈性模型和遍布節理塑性模型相結合的的方法，針對地下廠房局部穿越板巖地層圍巖穩定性進行模擬研究，確定合理的支護措施，改善圍巖穩定狀態，分析板巖在襯砌施加之前初支效果，可為板巖地層中地下洞室布置原則和正確合理的開挖支護方式提供參考。

1 工程地質概況

某水電站位于金沙江上游，發電廠房布置在右岸山體內，廠房內布置4臺單機容量600 MW的水輪發電機組。工程區右岸山體雄厚，岸坡整體齊整。地下廠房縱軸線方向為N32°W，主廠房與主變室平行布置，2大洞室間巖柱厚45 m。主廠房開挖尺寸為207.3 m×28.4 m×74.95 m(長×寬×高)，垂直埋深為120～270 m，側向最小埋深為90 m；主變室開挖尺寸為147 m×20 m×35.5 m(長×寬×高)，垂直埋深為70～155 m，側向最小埋深為60 m。

圖1 右岸工程區亞層板巖平切面

2 數值模型建立

2.1 計算模型與材料參數

建立三維數值計算模型，x軸為垂直主廠房軸線的方向；y軸為順主廠房軸線方向，z軸為垂直向上為正。模型整體長600 m，寬600 m，高800 m，模型包括主廠房、主變室、母線洞、尾水閘室以及尾水洞。前期采用Hypermesh軟件得到用于計算的網格模型，邊界條件設置為山體底部施加固定約束，頂部為自由邊界，四周施加法向約束。計算網格節點數為249 631個，單元數260 227個。三維數值計算模型見圖2。

圖2 三維數值計算模型

巖體力學參數的選取對數值模擬計算分析具有重要意義。洞室圍巖以III類灰巖為主，板巖圍巖類別為IV1類。根據室內巖石和現場巖體力學試驗等實測資料，巖體力學參數取值見表1。工程區灰巖地層采用M-C屈服強度。針對板巖層狀巖體本構關系的確定，本文采用橫觀各向同性彈性模型和遍布節理塑性模型相結合的方法進行分析，該模型能夠模擬層狀結構的材料并考慮分層方向的滑動條件。

表1 巖石力學參數

2.2 計算方案及支護結構模擬

地下廠房洞室群本著從上而下、水平成層開挖的基本原則，順序開挖。擬定地下洞室群的開挖共分9級進行，分步開挖順序見圖3。圖3中，1～9為開挖步序。

圖3 地下洞室分期開挖示意(高程：m)

地下廠房初期支護形式為普通砂漿錨桿+錨索+噴混凝土層支護方案[6]，灰巖洞段采用直徑32 mm、長9 m和直徑28 mm、長6 m梅花樁布置形式的砂漿錨桿；板巖洞段增加支護強度，采用直徑32 mm、間距為1.2 m×1.2 m、長12 m的砂漿錨桿。頂拱及板巖區域施加2 000 kN預應力錨索。數值模擬中，錨桿和錨索采用Cable單元進行模擬，鋼架按梁單元進行模擬。選用C25混凝土噴20 cm鋼纖維混凝土，混凝土噴層采用實體單元進行模擬。支護措施見圖4。

圖4 主廠房和主變室錨桿支護

根據模型加載反演得到的初始地應力場，分2種工況進行模擬：第1種是毛洞開挖，即地下洞室開挖達到平衡后的應力變形狀態，不采取支護措施圍巖的穩定性；第2種是根據擬定支護方案施加支護措施，即開挖1層立即施加支護。

2.3 初始地應力場

初始應力場是影響地下洞室圍巖變形和破壞的重要影響因素，在模擬研究洞室開挖前必須進行初始地應力平衡。由實測數據看出，主廠房埋深為270 m，最大主應力接近于水平，數值為6～9 MPa。由此可知，該廠區的地應力場是構造應力場和自重應力場疊加的復合地應力場。采用魏鵬等[7]提出的改進的多元回歸方法對廠區地應力進行反演計算，根據反演結果，σz>σx>σy，表現為σz、σx應力數值相對較大。應力值分布基本隨著埋深而增大，洞室群中部附近的σx應力約6 MPa，σz應力約為8 MPa，主應力值在斷層和板巖巖層處出現彎折。

3 計算成果分析

3.1 毛洞開挖結果分析

3.1.1 圍巖變形

圍巖表現為因洞室開挖造成向臨空面產生卸載回彈變形。圖3為2號機組典型斷面開挖位移云圖，位移值“+”為豎直向上，“-”為豎直向上。從圖5可知，圍巖的位移變化規律相似，整體表現為洞室拱頂下降，底板向上拱起，洞室邊墻向洞室內部移動，并且隨著洞室的開挖，洞室拱頂及邊墻位移隨著開挖不斷增大。洞室群開挖完成后，主廠房邊墻上游最大位移出現在2號機組段上游墻中點處，為22.2 mm，下游邊墻最大位移出現在1號機組段下游墻中點處，為23.7 mm，頂拱沉降量為27.6 mm，底拱隆起量為23.6 mm；主變室位移一般相對較小，主變室頂拱最大位移為21.1 mm，底拱隆起量為19 mm，上、下游邊墻最大位移出現在1號母線洞斜上方高程2 034 m處，分別為9.2、22.3 mm。

圖5 2號機組典型斷面開挖洞周圍巖位移云圖

洞室沿著板巖傾向方向出現位移大變形，主要是因為板巖為軟質巖體，薄層結構，層間以鈣質、泥質膠結，粘聚力差，工程力學性質差，受到擾動時極易產生沿結構面的變形。

3.1.2 圍巖應力

毛洞開挖2號機組典型斷面最小、最大主應力云圖見圖6。從圖6可知，進行第1期開挖時，主廠房和主變室兩側拱腳處均出現不同程度的壓應力集中現象；隨著洞室開挖深度的增加以及開挖范圍的擴大，圍巖應力不斷增加。洞室開挖完成后，隨著圍巖卸載變形引起洞周圍巖損傷松動，廠房頂拱、底拱、上下游邊墻以及洞室交匯處均出現拉應力集中現象，最大主應力為0.8 MPa；引水隧洞附近存在應力集中，最小主應力為17 MPa。

圖6 毛洞開挖2號機組典型斷面應力云圖

3.1.3 圍巖塑性區

2號機組典型斷面塑性應變增量云圖見圖7。從圖7可知，塑性破壞區的分布主要是在開挖面附近，破壞類型主要是以剪切塑性破壞為主。①在開挖過程中，板巖穿過的部位首先出現塑性變形，并在此基礎上開展。從結果上來看，板巖穿過的地方發生剪切破壞變形，2大洞室之間出現上部塑性區貫通，需重點加強支護。②隨著開挖的進行，塑性區體積不斷增加，總體積為14萬m3。③開挖結束后，塑性區深度一般為4～10 m，上游邊墻塑性區最大深度為13 m，主變室頂拱塑性區深度為2 m。可見，塑性區深度已經超過了錨桿長度范圍之外。

圖7 2號機組典型斷面塑性應變增量云圖

此外，在洞室開挖初期，廠房頂拱基本上已經形成了塑性破壞區，且不會因底板開挖而不斷增大，后期的開挖也不會對破壞類型造成影響。邊墻的塑性破壞區域和高度成正比，即隨著邊墻高度的增加，塑性破壞區深度也隨之不斷增加；隨著母線洞和尾水隧洞的開挖，2個洞室相交部位臨空面加大，相應部位塑性破壞區加大。

3.2 支護效果分析

3.2.1 圍巖變形

頂拱及下游圍巖最大位移隨開挖步數變化對比見圖8。從圖8可知，施加支護后，頂拱沉降量為24.1 mm，降低了87.3%；底拱隆起量為22.1 mm，降低了94%。總體看，主廠房位移變形量隨著開挖深度增加而增加；支護措施對主廠房位移量控制更加明顯；對比無支護和支護結果，主洞室整體位移量是減少的，說明支護體系的建立能夠有效的限制圍巖變形。

圖8 洞周圍巖位移變形量

3.2.2 圍巖應力

相較于無支護，施加噴錨支護后，主廠房圍巖最大應力量值變化不大，但在洞室交叉部位應力集中程度有所緩解。圖9為支護施加后2號機組典型斷面最小、最大主應力云圖。從圖9可以看出，開挖完成后，引水隧洞附近有應力集中現象，最小主應力為16.8 MPa，比毛洞開挖降低了0.8 MPa；主廠房拱座、上游邊墻以及洞室交匯處最大主應力均在0.5 MPa左右，比毛洞開挖有所降低。

圖9 支護施加后2號機組典型斷面應力云圖

3.2.3 圍巖塑性區

施加支護后，洞周圍巖塑性區整體變化規律和毛洞開挖方案基本相同，但分布范圍較毛洞開挖有一定程度的減少，主廠房側墻、引水隧洞、洞室交匯處等部位的塑性區減少較為明顯，上游側邊墻塑性區深度減少5 m，在錨桿長度范圍之內。

塑性區體積隨開挖變化見圖10。從圖10可知，塑性區體積隨開挖增大。但相較于無支護時整體破壞體積減少，從未支護的14萬m3到實施之后的12.5萬m3，明顯減弱了洞室圍巖的變形破壞能力，說明支護系統對圍巖穩定有促進作用。

圖10 塑性區體積隨開挖變化

3.2.4 支護體系受力特征

編寫fish提取錨桿應力，洞室群錨桿受力見圖11。根據GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》[8]，按照鋼筋受拉強度設計值確定錨桿的抗拉強度設計值為300 MPa。總體來看，錨桿應力值都在正常值范圍內，但部分錨桿受力較大，其應力值已經接近抗拉強度，基本上位于頂拱區域附近以及板巖區高邊墻區域的錨桿受力較大，與圍巖變形破壞部位相對應，應重點加強。

圖11 洞室群錨桿受力

4 結 語

本文采用基于橫觀各向同性彈性模型和遍布節理塑性模型相結合的方法，以某水電站地下洞室群為例，對穿板巖地層圍巖穩定性進行研究，得到以下結論：

(1)本文計算模型能很好地模擬板巖層狀各向異性力學特性。

(2)開挖完成后，位移變形量：主廠房>主變室、拱頂>邊墻；板巖穿過的區域首先出現塑性破壞，塑性區深度已超出正常錨桿長度。

(3)施加支護后，塑性區深度在錨桿長度控制范圍內，支護方案能有效控制板巖段圍巖變形。