某电站地下厂房洞室围岩稳定性研究

王　勇（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南　长沙　410014）



某电站地下厂房洞室围岩稳定性研究

王勇（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014）

近年来，我国修建了一大批的大型水电站，地下厂房洞室跨度也越来越大。本文采用ABAQUS有限元分析软件，对某电站地下厂房进行数值模拟计算，并进行了洞室开挖围岩稳定性的研究，并根据围岩稳定情况选择不同的施工方案。

地下厂房；围岩稳定；ABAQUS；有限元

引言

地下工程的研究对象为岩体，服务对象则是工程，例如：隧道工程、地下采矿工程、建筑工程、公路工程、铁道工程、水利水电工程以及核废料贮存工程等。虽然岩体力学研究已经在全世界得到普遍重视，但是因为岩体地质条件的特殊性、复杂性，令人类对地质研究长期以来一直处在较为落后阶段。

当前，在我国地下工程的围岩稳定与支护设计中，以有限元为代表数值模拟分析方法应用广泛，打破了我国单纯采用结构力学方法应对地下工程的局面。通过有限元数值解法的应用，能够在计算模型内较好反映洞室围岩性质特征、外部荷载、边界约束条件，使得洞室衬砌支护和围岩成为一个整体进行分析，有效避免结构力学方法的一些假定，提高了计算分析的精度等。

1　模型的建立

1.1地质模型概述

水电站左岸引水发电水电系统的进水口位于左岸850m侵蚀平台靠勘界河侧边缘部位。垂直埋深大于150m，水平深度大于250m。其主要工程地质条件：

（1）围岩主要忙怀组下段的沉积岩，以下为花岗岩，处于微风化～新鲜花岗岩体组成。

（2）围岩类别为Ⅱ类约占55%，Ⅲ类约占30%，Ⅳ类约7%，Ⅴ类约8%。

（3）围岩中的结构面不存在Ⅲ级及Ⅲ级以上结构面构成的不利组合体，主要由NNW向结构面相互间组合，NNW向与NNE向结构面构成的楔形体以及同走向结构面，其倾向相反形成的正“人”字组合。

数值模拟以地下厂房为选取对象，边界L=300m，埋深H= 480m，洞室半径为R=15m，顶拱至开挖最底面h=60m。由于上覆岩体和围岩以沉积岩和花岗岩组成，所以参数的选取依据现场和试验提供的参数为依据，并依据现场和模型的特殊情况进行合理的修正，使模型的建立尽量合理并达到预期设计计算目的。

1.2理论模型

模型选取弹塑性Drucker-Prager屈服准则，由现场沉积岩γ1=26.5kn/m3，岩体抗剪强度指标，摩擦系数φ1=47.7°，粘聚力c1′=1.0MPa，岩体变形模量E1=4×109，泊松比ν1=0.3；沉积岩γ2=25.5kN/m3，岩体抗剪强度φ2=38.7°，粘聚力 c2′=0.5MPa，岩体变形模量E2=1.5×1010，泊松比v2=0.25。由于从现场和设计所得资料是关于 Mohr-Coulomb的参数，须将这些值转化为Drucker-Prager屈服准则的参数值，即用D-P逼近M-C，选用线性D-P。

1.3地应力场的分析

初始应力场对于模拟材料屈服有围压依赖性，正确分析尤为重要。ABAQUS中Geostatic分析步对岩体施加体积应力。在理想的状态下，该作用力和土体初始应力处于一个平衡状态，令土体初始位移是零。但在平衡地应力场中，由于岩体的复杂性，定义的初始应力场和施加的荷载难以得到平衡。

Geostatic分析步中，ABAQUS/Standard会对岩体平衡状态开展检查，获得和给定边界、荷载条件平衡的一个应力状态，并需要对预先定义初始应力状态加以修正，以作后续分析步初始应力场。此过程中，对静止侧压力系数k0，即泊松比v进行调整。非线性问题中，若是给定的初始应力场和Gesostatic步中的荷载未获得一个平衡，则会造成非线性问题迭代的不收敛，无法获得正确结果，此时就需要对初应力进行调整。如果在Gesostatic步中土体的变形太大，也必须重新校核定义的初始应力场是否正确。

1.4计算参数的选取

1.4.1边界条件的确定

模型的左边界、右边界为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的地面也为约束边界，仅约束垂直和水平方向的位移；模型的顶面高程为821.5m，与实际地表最大相差261.5m，因此在模型的顶面施加由上部岩层产生的不均匀重力。由于所建模型的岩体主要由上部沉积岩和下部的花岗岩组成，因此在模型计算时应考虑此地形特征。

1.4.2仿真过程设计

开挖后围岩的位移变形、应力场不仅取决于围岩力学特性、结构面特征、初始地应力和洞室的形态，开挖方案同样也是一个重要影响因素。所以，数值仿真的也应该包含施工过程。以设计和施工中的开挖顺序为基础，然后进行合理的简化，开挖步骤图如图1所示。

图1　洞室开挖顺序图

2　洞室开挖后的围岩稳定分析

2.1应力场特征

（1）地下厂房区应力场的总体分布特征较为稳定，主应力随深度变化符合一般地应力场变化规律；而断层一定程度上会影响应力分布连续性，特别是断层附近呈现为较大剪应力变化梯度；断层交汇部位呈现为显著剪应力集中的现象。

（2）地下厂房区三向应力状态的总体呈现为中间的主应力接近垂直，最大与最小主应力水平。

（3）厂房部位最大应力的方向和厂房轴线方向的夹角小于20°，应力量值偏小，对主厂房、主变开关室等主要洞室围岩稳定性的影响较小。

（4）应力随深度均表现为逐渐增大的趋势，但最大和最小主应力随深度增加的速率稍小。

（5）在底下洞室所在的范围内，原始地应力的变化范围为：水平平行厂房轴线方向主应力：-6.4～-8.8MPa（拉应力为正，压应力为负）；水平垂直于厂房轴线方向主应力为：-2.4～-3.6MPa。

（6）厂房区的初始应力场剪应力量级偏低，主厂房部位的剪应力低于-1MPa。

图2　平面最大应力图

图3　平面最小应力图

由结果图2～3可以看出：

（1）洞室开挖完成后，围岩主应力的方向出现明显的偏转，总体而言，最大主应力呈现的是与洞室周边相切（顶拱部位）或平行的（边墙部位）趋势。应力方向于洞室各角点的偏转最显著。洞室开挖之后，围岩的二次应力场形成主要范围与边墙相距为60～90m。

（2）最大主应力在应力场内变化处于-18.7～-2.12MPa范围内，集中区域分布于洞室2个拱角与左右2个下角点。主厂房左右2个拱角的最大压应力值为-12.82MPa、-13.13MPa，左右2个下角点最大压应力值为-14.82MPa、-15.97MPa。

（3）最小主应力在围岩应力场内的变化处于-6.69～3.26MPa范围内，重分布规律与最大主应力类似，在各个洞室左右2个下角点出产生压应力集中。其中，主厂房最大压应力值如下：左、右2个拱角达-3.08MPa和-2.56MPa，左、右2个下角点达-4.21MPa和-3.83MPa，顶拱中心点为-4.24MPa。

2.2变形位移特征（如图4～6所示）

图4　岩体位移变形图

图5　地下洞室垂直厂房轴线位移变形图

图6　地下洞室围岩垂直方向位移变形图

地下洞室开挖完成后，围岩向临空面发生回弹变形，总体表现为顶拱下落和地板拱起的位移较大，边墙水平向内的位移小。

分析结果表明：地下洞室开挖完成后，围岩的变形总体上量值不大，一般在数10～20mm之间；顶拱和地板的变形略大与边墙的变形。右边墙大与左边墙的变形，右端墙的变形大于左端墙的变形，最大位移量在顶拱和地板的中部。

2.3塑性区破坏过程分析（如图7所示）

图7　塑性区破坏图

（1）围压塑性破坏区主要表现在洞室的上、下游边墙部位。受断层影响，破坏区主要发生在开挖附近区域，破坏形式以拉张破坏为主。

（2）根据洞室开挖后围岩应力重分布的规律，围岩的压应力集中区主要分布在洞室的左、右两个下角点和左、右两个上角点等部位，拉应力则产生边墙中部等处，另外底板中部部分地段也可能会出现局部的拉应力集中，围岩破坏区的分布和这一规律有较好的一致性。由于花岗岩等脆性岩石材料抗拉强度低，所以在边墙出现的拉张破坏区范围大于压应力集中区产生的剪切破坏区。破坏区的范围随开挖施工的进行呈现出动态的变化。

（3）破坏区的分布总是首先出现在开挖面的附近。但破坏区的大小、破坏类型和扩展方式与工程部位和施工顺序紧密相关。

3　围岩开挖施工方案

围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。施工方案选定合理，对保护围岩稳定性有很大意义；隧洞的开挖方式，基本上有两种：①全断面开挖法；②导洞开挖法。全断面开挖法一般适用于围岩很稳定，无塌方掉石的地区。对岩石稍差但断面尺寸较小的中小型隧洞亦可全断面开挖。导洞开挖法适用于断面较大，岩体又不太稳定的地质条件。为了防止塌方冒顶事故，可缩小断面，先打导洞，然后分块完成施工断面。

（1）当围岩不太稳定，顶围易塌时，应在洞室最大断面的上部先挖导洞，立即支撑，达到要求的轮廓，作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，最后做侧墙衬砌。这便是上导洞开挖、先拱后墙的办法。为减少施工干扰和加速运输，还可以用上下导洞开挖、先拱后墙的办法。

（2）当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、先墙后拱的方法，或称为核心支撑法。

（3）当围岩较稳定时，可采用单导洞全面开挖、上下双导洞全面开挖、连续衬砌的办法施工。

［1］胡爱宇.地下结构分析及优化设计［D］.河海大学，2004.

［2］黄达.大型地下洞室开挖围岩卸荷变形机理及其稳定性研究［D］.成都理工大学，2007.

［3］郝 健.复杂地质条件下超大型调压井开挖围岩稳定性分析［D］.四川大学，2006.

王 勇（1987-），男，工程师，硕士，主要从事水工结构工作。

TV223

A

2095-2066（2016）13-0073-03

2016-4-10