深部岩体群洞开挖顺序对围岩稳定性影响分析

李兴权

（承德石油高等专科学校，河北 承德 067000）

0 概述

在地下群洞的开挖过程中，不同的开挖顺序，就意味着对围岩的一种不同的暂时加载方式，在施工期间不断变化着的洞型和加载方式，不仅影响施工期内地表的沉降、围岩的应力、破损区和洞周位移，而且影响洞体成型后的应力分布、破损区大小以及洞周位移、地表位移状况，由于开挖是造成地表沉降和围岩应力重分布的基本原因，因此，地下洞室的开挖方式己引起人们的广泛注意[1-2]。

本文以锦屏二级水电站长埋引水隧洞为工程背景，建立数值计算模型。由于该隧道横截面沿长度方向保持不变，在柱面上受有平行于横截面而且不沿长度变化的约束，同时，体力也平行于横截面而且不沿长度变化属于平面应变问题。数值计算模型沿长度方向厚度取1米，按平面应变问题分析不同开挖顺序对深部硬岩隧道的长期稳定性。

1 数值模拟

1.1 锦屏二级水电站概述

锦屏二级水电站位于四川凉山彝族自治州境内的雅砻江干流之上，装机容量4800MW，单机容量600MW，按《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》，属一等工程，工程规模为大型，隧洞须按一级建筑物设计。电站利用雅砻江150km 大河弯的巨大天然落差裁弯取直，开挖隧洞引水发电。电站由首部低闸、引水隧洞、地下厂房三部分组成[3]。

1.2 数值模型

由于沿引水隧洞轴线方向的较长范围内，围岩岩性较单一，隧道断面形状和尺寸不沿着隧道长度方向变化，因此，此问题可近似简化为平面应变问题，故本次计算采用平面应变方法进行计算。模型如图1 所示，由左到右，分别为1#、2#、3#、4#隧洞。模型边界条件为左右两边均采用法向约束，底部也采用法向约束，顶部施加面应力为44.6MPa。应力场考虑了自重应力场，分别在x，y，z 方向施加35，28，44.6MPa 的构造应力。初始地应力生成采用快速应力边界法（S-B 法）。由模型的初始应力云图可以看出，锦屏二级引水隧洞计算模型初始水平地应力为34.12MPa～39.38MPa，初始纵向地应力为27.295MPa～31.582MPa，初始竖向地应力41.228MPa～52.865MPa，说明模型的应力场分布与实际情况较为接近。

1.3 本构模型及参数的选取

为模拟岩体的卸荷过程及其流变行为,采用FLAC3D 软件中的Generalized -Kelvin 模型与Mohr-Coulomb 模型串连而成的粘弹塑性模型—Cvisc 模型,Cvisc 粘塑性蠕变模型考虑材料的粘弹塑性应力偏量与弹塑性体积变化特性，它能描述岩石的衰减蠕变和等速蠕变,符合隧洞围岩变形性质。

引水隧洞岩体具体的岩石力学参数见表1，具体蠕变参数见表2。

表1 岩体力学参数Tab.1 Rock mechanics parameters

表2 蠕变力学参数Tab.2 Creep mechanics parameters

图2 拱顶最大主应力变化曲线Fig.2 Curve of the maximum principal stress at vault

图3 边墙最大主应力变化曲线Fig.3 Curve of the maximum principal stress at side wall

1.4 模拟方案

模拟设置三种不同的工况，分别为：

工况一：1#、2#、3#、4# 隧洞同时开挖；

工况二：先开挖2#、4# 隧洞，后开挖1#、3# 隧洞；

工况三：1#、2#、3#、4# 隧洞顺序开挖。

2 结果分析

隧洞开挖后，岩体变形并不是瞬间达到最终值，而是随时间变化发展的，隧洞围岩应力随着变形持续增长而不断调整变化，图2 和图3 为1# 洞开挖后拱顶和拱底某点随蠕变时间最大主应力变化图。由图可知，隧洞开挖后，围岩应力迅速调整，持续30 天后隧洞围岩趋于稳定。因此采用隧洞开挖30 天后围岩进行比较。

3 结论

以锦屏二级水电站引水隧洞工程为依托，模拟多孔隧洞开挖对围岩稳定性的相互影响，综合数值分析结果和现场实际施工速度等要求，按工况二开挖，即群洞间隔开挖较为合理，应力集中范围较小，发生滞后岩爆等围岩变形破坏的可能性小，因此，对于多洞隧道开挖采用间隔开挖法有利于降低滞后岩爆的风险。

［1］张文彦.城市地铁渡线区变截面群洞隧道施工技术的优化研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

［2］谢谟文，杨淑清，廖野澜.互层状岩体中群洞开挖稳定性研究和实践[J].岩石力学与工程学报，1995，14(2)：131-137.

［3］李大鑫.锦屏二级水电站不同施工方法引水隧洞围岩稳定性研究[D]，成都：成都理工大学，2009.