超大直径调压井开挖一次支护及围岩稳定分析研究

白俊岭 李岳东 武帅

1 工程概况

新疆某工程发电引水系统调压井为阻抗式，开挖直径32.4 m，衬砌内径28 m，井顶开挖高程1 009.5 m，井底开挖高程864.8 m，井筒开挖高度144.7 m，是目前亚洲最大的调压井之一。调压室位于厂房后边坡上，所处地形较平缓，基岩裸露，天然坡度15°～25°，地面高程1 005～1 015 m。

调压室附近岩性以灰黑色黑云母石英片岩为主，夹杂少量花岗伟晶岩脉。黑云母石英片岩片理发育，岩层总体走向NW300°～350°，倾向NE，倾角45°～55°。根据钻孔资料，调压井附近弱风化带厚度32.5 m 左右，顶部0～32.5 m 处，岩体较破碎，以Ⅳ类围岩为主，地面32.5 m 以下，多为Ⅲ类围岩，局部为Ⅱ类和Ⅳ类围岩。调压井部位岩体风化厚度大，岩体较破碎，开挖时成井条件一般，开挖时须及时采取系统的一次支护措施。

2 调压井一次支护参数确定

2.1 支护参数确定原则

超大直径调压井的开挖及围岩稳定一直是工程中关注的重点问题，其主要特点是超大直径调压井开挖难度大，开挖过程中围岩整体稳定性差，支护措施多，工期长，施工过程中易造成调压井大规模坍塌，造成重大工程事故。结合国内外超大直径调压井的开挖支护经验，支护参数的确定原则和主要开挖支护措施有：（1）当调压井大部分岩体处于强卸荷带、周围岩体较破碎时，可在井口平台上对井圈外围一定范围内的破碎岩体实施深孔预固结灌浆，填充围岩裂隙，提高岩体整体稳定性；并对井壁采取“喷混凝土、系统锚杆、挂钢筋网加钢筋混凝土衬砌（倒挂混凝土）”的联合支护措施。[1]（2）当调压井上部破碎岩体范围较小时，可采用一定高度的锁口混凝土结合喷锚支护，锚杆可采用直径25 mm 或28 mm，长度4.5 m和L=6 m 的系统锚杆。（3）当调压井下部岩体相对较差，主要为Ⅲ类和Ⅳ类围岩时，可采用喷锚+局部锚索的支护型式，其中锚杆可采用长短结合交错布置，采用6、9、12 m 等长度，锚索可根据类似工程经验和围岩稳定计算选择合适长度的预应力锚索，若调压井直径大于30 m，可采用20 m 或30 m 的预应力锚索（1 000 kN）。（4）开挖时，首先利用反井钻开挖溜渣导井，再开挖大井，大井扩挖自上而下进行，开挖分层高度视围岩完整性确定，并采用预留保护层光面爆破。

2.2 支护设计

根据地质勘察成果，调压室上部约32.5 m 范围属Ⅳ类围岩，岩体较为破碎，成井条件较差，地面32.5 m 以下，多为Ⅲ类围岩，局部为Ⅱ类围岩。结合现行规范，在总结已建福堂、太平驿、锦屏一级、糯扎度、小湾等超大直径调压井[2]开挖支护技术与建设经验的基础上，综合考虑调压井施工运行、缩短工期、节约投资等因素，初步确定调压井开挖支护措施为：顶部高程987.0～1 009.5 m 范围竖井衬砌外设厚1 m 锁口混凝土，锁口混凝土外采用喷锚支护，挂Φ6.5 mm@150 mm 钢筋网，喷C25 混凝土厚10 cm，锚杆采用直径25 mm，L=4.5 m和直径28 mm，L=6 m 的系统锚杆。锁口混凝土以下井筒一次支护采用锚索+锚杆+挂网喷混凝土+混凝土圈梁的组合支护型式。支护参数为：喷C25 混凝土厚20 cm，两层Φ6.5 mm@150 mm 钢筋网。锚杆采用直径28 mm 与32 mm 的系统锚杆和直径32 mm 的预应力锚杆（150 kN），长分别为6、9、12 m，系统锚杆间、排距2.0 m，梅花形布置；预应力锚杆间距2 m，排距10 m，梅花形布置。同时高度方向每隔10 m 设长分别为20 m 和30 m 的预应力锚索（1 000 kN），间距4 m，交错布置。每层锚索处设0.5 m×1.0 m 的环形C25 混凝土圈梁。调压井开挖支护示意图如图1 所示。

3 调压井围岩开挖稳定计算

3.1 稳定计算本构模型

本构模型是岩土材料力学性质的经验性描述，表达的是外载条件下岩、土体的应力—应变关系，因此，本构模型的选择是数值模拟的一个关键。本工程采用岩土工程中广泛应用的理想弹塑性模型——Mohr-Coulomb 模型。

Mohr-Coulomb 模型是按理想弹塑性定义。该行为假定对一般的岩土非线性分析来说结果是充分可靠的，因此，被广泛用于模拟大部分岩土材料。

不同土体有不同的黏聚力和内摩擦角，这些参数对应于剪切强度方程。与其它土木材料不同，土体几乎不抗拉，大部分情况下会发生剪切破坏。即，在自重或外力作用下，岩土内侧会产生剪应力，随着应力的增加应变也会增加，继续发展就会沿着某个面破坏，这种破坏叫剪切破坏。剪应力引起抗剪行为和抗剪极限，即剪切强度。土的抗剪强度包括黏聚力和内摩擦角。

根据Mohr-Coulomb 准则，土的剪切强度按如下直线式表示。

式中 C——黏聚力；

σ——正应力；

φ——内摩擦角。

Mohr-Coulomb 模型屈服面函数为：

式中 φ——q-p 应力面上Mohr-Coulomb 屈服面的倾斜角，称为材料的摩擦角，0°≤φ≤90°；

c——材料的黏聚力；

Rmc——按下式计算，其控制了屈服面在π 平面的形状。

3.2 稳定计算判别标准

围岩稳定性评价的控制性指标参考Q/HYDRO⁃CHINA 009—2012《水电站地下厂房设计导则》中表7.10.3 给出的地下洞室围岩稳定性评价控制性指标。对于本工程调压井开挖段，洞室埋深在0～300 m 之间，且以Ⅲ类围岩为主，则对应的洞室周边允许位移相对值在0.10%～0.50%之间，洞周塑性区或松弛区深度不大于洞室跨度的0.50～0.60倍时，围岩整体稳定[3]。

3.3 计算模型与围岩参数

调压井洞室开挖稳定计算三维有限元模型如图2 所示，调压井一次支护措施单元如图3 所示。

图2 调压井三维有限元计算体型图

图3 调压井一次支护措施单元图

高程1 009.5～977.0 m 之间Ⅳ类围岩为主；高程977.0～892.5 m 之间、高程878.0 m 及以下Ⅲ类围岩为主，局部为Ⅳ类围岩；高程892.5～878.0 m 之间Ⅱ类围岩为主，局部为Ⅲ类围岩。围岩材料参数见表1。

表1 围岩材料参数

3.4 计算假定

（1）计算时围岩材料参数为各向同性的材料。

（2）考虑调压井采取钻爆法施工，考虑井壁向外拓展5 m 范围出现一个松动圈，松动圈内的围岩类别降低一个量级，如开挖岩石为Ⅲ类围岩，则松动圈内岩石为Ⅳ类围岩。

（3）计算中，先开挖底部水平隧洞，而后从地面逐步向下开挖调压井，按照施工提供的建议，调压井开挖进尺假定为10 m，每向下开挖一个进尺，对上一个进尺范围的围岩进行喷锚支护，直到完成竖井开挖。

（4）根据地质提供的资料，节理、裂隙无处不在，本处未发现断层和大范围的结构面，计算时采用均一的弹塑性材料。

3.5 围岩稳定计算结果与分析

采用Mohr-Coulomb 本构模型对调压井进行三维有限元计算，调压井开挖后围岩位移开展和塑性区的计算结果见表2。

表2 调压井开挖后围岩井壁位移和围岩塑性区计算结果

由表2 可知，在设计支护条件下井壁顺水流向位移最大值分别为2.02 cm，横水流向位移最大值为1.65 cm，对应的调压井侧壁最大相对收敛值分别为0.126% 和0.103%，均在0.10%～0.50% 之间；调压井塑性区顺水流向最大开展深度为6.9 m，横水流向最大开展深度分别为6.0 m，洞周塑性区深度与洞室跨度的比值分别为0.216 和0.188，均小于0.50～0.60，说明支护效果较好，围岩整体稳定。

3.6 围岩内摩擦角敏感性分析

考虑爆破、融水、卸荷、不规则节理裂隙等因素对围岩强度参数的影响，结合以往的工程经验，将围岩摩擦角降低30%，Ⅲ类围岩摩擦角降低12°，Ⅳ类围岩摩擦角降低9.6°，V 类围岩摩擦角降低6.6°，凝聚力不变，围岩井壁位移和围岩塑性区计算结果见表3。

表3 降低围岩凝聚力和内摩擦角计算结果

降低围岩抗剪断强度参数，围岩的塑性区范围出现明显的增加，井壁单侧位移小幅度的增加，井壁顺水流向位移最大值为2.47 cm，横水流向位移最大值为1.93 cm，对应的调压井侧壁最大相对收敛值分别为0.154%和0.121%，均在0.10%～0.50%以下；调压井塑性区顺水流向最大开展深度为9.5 m，横水流向最大开展深度分别为9.1 m，洞周塑性区深度与洞室跨度的比值分别为0.297 和0.284，均小于0.50～0.60。在设计支护措施下，即使围岩物理力学参数有一定比率下降，调压井围岩仍然保持稳定，说明支护效果较好。

4 结 语

超大直径调压井开挖支护非常复杂，涉及因素众多，计算分析难度大，需全面系统分析论证。本文通过对新疆某工程超大直径调压井开挖一次支护及围岩稳定进行深入分析研究，最终确定设计的开挖一次支护措施可有效保证围岩整体稳定，支护效果较好。