地下厂房顶拱塌方加固处理及施工过程稳定性分析

杨继华，肖培伟，朱泽奇，王 帅

(1.中国科学院 a.武汉岩土力学研究所;b.岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071;2.国电大渡河流域水电开发有限公司，成都 610041)

在进行山区水电站建设时，由于地形条件限制，电站厂房一般采用地下开挖，形成地下岩体洞室群。由于岩体是一种非均质、非连续介质，在地下洞室围岩中会存在断层、节理和岩脉等不利结构面，在开挖过程中，如施工工艺不合理、支护措施不及时，容易出现塌方［1－6］，会对施工进度、安全造成严重影响，针对此问题，很多学者对地下洞室塌方形成机理以及预防、治理措施进行了研究，得出一些有益的结论［7－12］。

本文以大岗山水电站地下厂房第一层开挖施工过程中顶拱的塌方及其支护加固为研究背景，结合地质调查，通过有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型，分析支护加固效果以及后续开挖施工对塌方区稳定性的影响。

1 工程地质条件

大岗山水电站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉县境内。坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，自然坡度一般40°～65°，相对高差一般在600 m以上。电站装机容量2 600 MW。地下厂房洞室群由主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室及母线洞、尾水连接洞等组成。主副厂房、主变室和尾水调压室平行布置。主厂房的开挖尺寸为长206.00m，宽30.80m，高73.78m;主变室的开挖尺寸为长144.00m，宽18.80m，高25.10m;尾水调压室开挖尺寸为长130.00m，宽20.50～24.00m，高75.08m。

地下厂房区基岩以灰白色、微红色黑云二长花岗岩(γ24－1)为主，具中粒结构，厂区岩体新鲜较完整，呈块状－次块状结构，岩块嵌合紧密。无区域断裂切割，构造形式以沿岩脉发育的挤压破碎带、断层和节理裂隙为特征。厂区较大规模的软弱结构面主要有f56－f60断层穿过厂房洞室群区。地下厂房区岩脉以辉绿岩脉分布较多，延伸较长的岩脉有β6、β9、β80、β81、β100、β101、β163 和β164 等，其中β80岩脉在地下厂房区延伸较长，规模相对较大，对地下厂房围岩的稳定性会产生不利影响。

2 主厂房塌方区地质调查

2008年12月16日主厂房在第一层开挖过程中突然发生塌方，根据钻孔测试结果，塌方后形成空腔，塌腔形状似一倒置的偏向厂房左侧的不规则的葫芦状［2］。塌腔孔口长约14.0 m(桩号厂(横)0+133 至0+147)，宽约7.5 m(桩号厂(纵)0－4.0至0－11.5)，高程约989.8～991.6 m;塌腔中部长约22 m(桩号厂(横)0+125 至0+147)，宽18.4 m(厂(纵)0+3.5至 0－14.9)，高程在1 005～1 010 m;塌腔顶部逐渐变小，塌腔总高度约33.0 m。塌腔沿β80岩脉走向分布，在岩脉上盘破碎带较宽，下盘较窄;塌方堆积体在岩脉上盘岩块粒径较大，一般为20～40cm，少量有80～100cm;在下盘塌有碎石土，土砂占70%～80%，小岩块粒径为10～20cm，量较小;塌腔处无地下水，破碎岩块表面洁净，稍粗糙，新鲜，弱风化。腔内残留破碎岩体位于从孔口以上14～20 m之间，塌方体总量约为3 500 m3。塌方空腔及破碎带剖面如图1所示。

图1 破碎带塌方空腔剖面Fig.1 Section of crushed zone and collapse hollow

3 支护措施及数值模型建立

3.1 支护设计

目前，岩体地下洞室塌方支护加固处理主要有以下几种措施:回填灌浆、钢拱支撑、预应力锚索加固、喷射混凝土等。通常根据塌方的实际情况，选择其中的一种或几种措施组合。

根据主厂房塌方区的特点，设计了先灌浆强化塌方区破碎带，再用预应力锚索+型钢拱撑支护的加固措施。共布置各类预应力锚索43根，其中A型长24 m，B，C，F，G，H，I型长30 m，D 型长40 m，E型长20 m，各型预应力锚索均为拉力集中型端头锚，张拉吨位为150 t。锚索布置如图2所示。

图2 顶拱锚索平面图Fig.2 The plan of top arch cable

3.2 数值分析模型

为研究主厂房破碎带塌方空腔支护加固效果，本文利用有限差分程序FLAC3D建立三维数值分析模型，如图3所示。取厂房轴线的垂直方向为x轴，方向为SE35°，主厂房机组中心线为x向0点，即厂(纵)0+0.00;取厂房轴线方向为y轴，方向为NE55°，厂(横)0+0.00为y向 0 点;竖直向上为z轴。计算区域x向:－300～300 m;y向:－200～400 m;z向:700 m高程至地表面。模型区域离散为226 933个节点和1 313 997个四面体单元。研究中主要关注β80岩脉(见图4)和主厂房滑体区(见图5)。支护结构模型见图6、图7。

图3 数值分析模型网格Fig.3 Meshes of numerical analysis model

图4 β80岩脉与洞室空间关系图Fig.4 The spatial relation between β80 dyke and cavern

图5 主厂房塌方体Fig.5 Collapse at the main powerhouse

图6 厂横(桩号0+135)剖面支护模型Fig.6 Model of the support at 0+135m cross section

图7 拱撑支护模型Fig.7 Model of the steel arch support

根据地下厂房围岩的力学特性，选取弹塑性Mohr-Coulomb本构模型，根据各类岩体的力学特性，岩体力学参数计算采用值见表1。地下厂房区岩体大部分是Ⅱ类围岩;主变室附近区域分布有Ⅲ类围岩;断层、岩脉等软弱结构面参数取Ⅴ类围岩;塌方体碎石区经灌浆强化后强度等级提高，在数值计算中按Ⅳ类围岩力学参数取值。

表1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock masses

预应力锚索采用FLAC3D程序中Cable单元模拟，内锚段采用锚段元来模拟，自由段采用施加一对集中力模拟。型钢拱撑采用Beam单元模拟［13］。

依据对初始地应力实测资料所作的统计分析，认为在工程范围内初始应力场随埋深线性分布。根据应力场反演分析结果，垂直地下厂房轴线方向(x)侧压力系数kx为0.86;地下厂房轴线方向(y)侧压力系数ky为1.68。以此为基本分析参数，模拟初始地应力场，其中，全强弱风化层按自重应力场施加，微新岩体铅直向(z)应力按自重应力场施加，x向与y向应力按侧压力系数进行施加。

4 计算结果分析

在岩体地下洞围岩稳定性分析中，围岩的变形、应力及塑性区等特性是衡量围岩所处状态的重要指标。本文选取厂横0+135 m剖面为典型分析剖面，在分析主厂房各关键部位的位移、应力、塑性区以及锚索内力的基础上，综合评价塌方区的支护加固效果和主厂房在施工过程中的稳定性。

4.1 变形分析

图8为主厂房各关键部位随施工步骤的位移曲线。由图9可知，塌方后顶拱碎石区变形较大，至中部开挖完成后，碎石区最大变形量达151.3mm。从塌方至中部开挖完成，顶拱其它关键部位位移变化不大，变形增加均在3mm以内，说明施加支护对滑体周边区域变形起到了较好的控制作用;碎石区变形在施加支护及灌浆强化后也得到有效控制，但主厂房的进一步开挖对其变形发展有一定影响，变形量值约5mm;边墙变形主要是在上部开挖、中部开挖过程中发展较快。

图8 主厂房监测点施工步骤-位移曲线Fig.8 Curves of the construction process vs.displacement of monitoring points at the main powerhouse

为了验证本次计算的可靠性，图9将顶拱中部位移计算值与现场监测值进行对比。由图可知，中部开挖完成后，顶拱中心多点位移计孔口位置测到的总位移为42.3mm，而计算值为30.6mm，两者相差11.7mm，这主要是因为塌方清理时进行了锚索及灌浆钻孔施工，对围岩扰动较大，导致围岩产生一定程度的变形，而数值计算则未考虑到这一点，但总的来说，计算位移值基本上与实际监测位移值相符，这也从一定程度上说明了数值模型及参数选择的合理性。

图9 顶拱位移(计算值与监测值)Fig.9 The top arch displacements(calculation values and monitoring values)

4.2 应力分析

图10为顶拱最大主应力-开挖施工步骤关系曲线。由图可知，支护强化后，碎石区围岩主应力分布变化不大，随着主厂房继续开挖，围岩应力卸荷调整，锚索、拱撑等与围岩相互作用，滑体附近岩体应力分布趋向均匀，主要承受压应力，量值为1.5MPa左右。图11给出了主厂房拉应力区-开挖施工步骤图。由图可知支护强化后，碎石区附近出现较大拉应力区，拉应力约为0.56MPa，随着后续开挖的进行，拱顶拉应力区基本消失，至中部开挖完成，拱顶碎石区应力分布继续向有利方向调整，拉应力区转而在边墙中部出现。

图10 顶拱最大主应力-开挖施工步骤曲线Fig.10 Curves of maximum principal stress vs.top arch excavation process

图11 主厂房拉应力区-开挖施工步骤图Fig.11 The main excavation progress and the corresponding tensile stress areas at the main powerhouse

4.3 塑性区分析

图12为主厂房塑性区分布-开挖施工步骤图，由图可以看出，由于β80岩脉切割及滑体坍塌，主厂房顶拱塑性区向上延伸与塌方体贯通，其破坏形式以剪切破坏为主，顶拱碎石区附近围岩产生拉伸破坏;碎石区灌浆强化及顶拱施加支护后，塑性区范围得到有效控制;上部、中部开挖完后，顶拱塑性区范围变化不大，没有因为开挖造成塑性区的迅速发展。

4.4 锚索内力分析

图13为中部开挖完后锚索应力图，可以看出中部开挖完成后，拱脚锚索应力偏大，最大值达237MPa;塌方体附近锚索应力明显偏小，应力传递长度未达到锚索端部;图14给出了厂横桩号0+135剖面拱脚部位的某根锚索的内力与深度关系曲线。可以看出锚索的内力分布由自由端到锚固端呈递减趋势，随着后续开挖的进行，到中部开挖完成，锚索内力增大并向深部传递;相对而言，塌方体附近锚索锚固端应力变化较小并趋于稳定，本文限于篇幅没有将数据一一列出。

图12 主厂房塑性区-开挖施工步骤Fig.12 The excavation progress and the corresponding plastic zone distribution in the main powerhouse

图13 中部开挖完后锚索应力图Fig.13 The maximum cable stress after the excavation in the middle

图14 厂横桩号0+135剖面拱脚部位锚索内力-深度曲线Fig.14 Curves of cable stress vs.depth at the arch foot of 0+135m cross section

5 结论

通过对大岗山水电站主厂房顶拱塌方区的地质调查，建立塌方体三维数值模型，并选定典型分析剖面，研究了设计支护措施对塌方区的加固效果，并分析了后续开挖对塌方区稳定性的影响，得到如下结论:

(1)塌方后顶拱碎石区变形较大，至中部开挖完成后，碎石区最大变形量达151.3mm。从塌方至中部开挖完成，顶拱其它关键部位位移变化不大，变形增加均在3mm以内，说明施加支护对滑体周边区域变形起到了较好的控制作用。

(2)塌方后，碎石区附近出现较大拉应力区，随着主厂房继续开挖，围岩应力卸荷调整，锚索、拱撑等与围岩相互作用，滑体附近岩体应力分布趋向均匀，主要承受压应力，拱顶拉应力区基本消失;至中部开挖完成，拉应力区转而在边墙中部出现。说明后续开挖对塌方区应力调整是有利的。

(3)主厂房顶拱塑性区从顶拱延伸至塌方体顶端，破坏形式以剪切破坏为主。支护强化后，随着后续开挖的进行，碎石区围岩塑性区基本停止发展。

(4)支护强化后，塌方体附近锚索应力偏小，应力传递长度未达到锚索端部。随着后续开挖的进行，到中部开挖完成，锚索内力增大并向深部传递。说明锚索在后续开挖中有效发挥了支护力，对于塌方区的稳定起到了重要作用。

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