板岩区地下厂房洞室群围岩稳定性研究

2022-12-08李雯静任旭华张继勋

水力发电 2022年11期

李雯静，任旭华，张继勋，魏鹏

(河海大学水利水电学院，江苏南京 210024)

0 引言

板岩属于软岩的一种，地下工程在施工过程中穿越板岩岩层是无法避免的技术难题，针对板岩特性研究，学者们做了诸多的工作。孙会想[1]基于白鹤滩水电站左岸尾水连接管洞室群，利用500 μm显微镜观察及室内力学试验，对应力型破坏的围岩结构面的机理进行分析，并提出相应举措。侯国强[2]从软岩隧道大变形特征和施工技术方面，针对斜井变形情况进行研究，并提出锚杆工艺改进方法。李庆松[3]采用有限元与离散元耦合的连续-非连续方法，对不同结构面倾角的碳质板岩中隧道的施工进行模拟，分析碳质板岩的受力和变形破坏特性。崔光耀等[4]针对丽香铁路中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带开展了围岩大变形控制措施现场试验研究。夏玉云等[5]对某水电站引水隧洞粉砂质板岩段洞室变形破坏特征进行分析。以上研究都体现出板岩是岩体中受力最差的区域，力学强度较低，遇水软化，在施工过程中极易造成掌子面失稳、围岩坍塌。因此，对板岩区地下厂房洞室群的围岩稳定性研究非常必要。

基于此，本文依托某大型水电站工程，采用横观各向同性弹性模型和遍布节理塑性模型相结合的的方法，针对地下厂房局部穿越板岩地层围岩稳定性进行模拟研究，确定合理的支护措施，改善围岩稳定状态，分析板岩在衬砌施加之前初支效果，可为板岩地层中地下洞室布置原则和正确合理的开挖支护方式提供参考。

1 工程地质概况

某水电站位于金沙江上游，发电厂房布置在右岸山体内，厂房内布置4台单机容量600 MW的水轮发电机组。工程区右岸山体雄厚，岸坡整体齐整。地下厂房纵轴线方向为N32°W，主厂房与主变室平行布置，2大洞室间岩柱厚45 m。主厂房开挖尺寸为207.3 m×28.4 m×74.95 m(长×宽×高)，垂直埋深为120～270 m，侧向最小埋深为90 m；主变室开挖尺寸为147 m×20 m×35.5 m(长×宽×高)，垂直埋深为70～155 m，侧向最小埋深为60 m。

图1 右岸工程区亚层板岩平切面

2 数值模型建立

2.1 计算模型与材料参数

建立三维数值计算模型，x轴为垂直主厂房轴线的方向；y轴为顺主厂房轴线方向，z轴为垂直向上为正。模型整体长600 m，宽600 m，高800 m，模型包括主厂房、主变室、母线洞、尾水闸室以及尾水洞。前期采用Hypermesh软件得到用于计算的网格模型，边界条件设置为山体底部施加固定约束，顶部为自由边界，四周施加法向约束。计算网格节点数为249 631个，单元数260 227个。三维数值计算模型见图2。

图2 三维数值计算模型

岩体力学参数的选取对数值模拟计算分析具有重要意义。洞室围岩以III类灰岩为主，板岩围岩类别为IV1类。根据室内岩石和现场岩体力学试验等实测资料，岩体力学参数取值见表1。工程区灰岩地层采用M-C屈服强度。针对板岩层状岩体本构关系的确定，本文采用横观各向同性弹性模型和遍布节理塑性模型相结合的方法进行分析，该模型能够模拟层状结构的材料并考虑分层方向的滑动条件。

表1 岩石力学参数

2.2 计算方案及支护结构模拟

地下厂房洞室群本着从上而下、水平成层开挖的基本原则，顺序开挖。拟定地下洞室群的开挖共分9级进行，分步开挖顺序见图3。图3中，1～9为开挖步序。

图3 地下洞室分期开挖示意(高程：m)

地下厂房初期支护形式为普通砂浆锚杆+锚索+喷混凝土层支护方案[6]，灰岩洞段采用直径32 mm、长9 m和直径28 mm、长6 m梅花桩布置形式的砂浆锚杆；板岩洞段增加支护强度，采用直径32 mm、间距为1.2 m×1.2 m、长12 m的砂浆锚杆。顶拱及板岩区域施加2 000 kN预应力锚索。数值模拟中，锚杆和锚索采用Cable单元进行模拟，钢架按梁单元进行模拟。选用C25混凝土喷20 cm钢纤维混凝土，混凝土喷层采用实体单元进行模拟。支护措施见图4。

图4 主厂房和主变室锚杆支护

根据模型加载反演得到的初始地应力场，分2种工况进行模拟：第1种是毛洞开挖，即地下洞室开挖达到平衡后的应力变形状态，不采取支护措施围岩的稳定性；第2种是根据拟定支护方案施加支护措施，即开挖1层立即施加支护。

2.3 初始地应力场

初始应力场是影响地下洞室围岩变形和破坏的重要影响因素，在模拟研究洞室开挖前必须进行初始地应力平衡。由实测数据看出，主厂房埋深为270 m，最大主应力接近于水平，数值为6～9 MPa。由此可知，该厂区的地应力场是构造应力场和自重应力场叠加的复合地应力场。采用魏鹏等[7]提出的改进的多元回归方法对厂区地应力进行反演计算，根据反演结果，σz>σx>σy，表现为σz、σx应力数值相对较大。应力值分布基本随着埋深而增大，洞室群中部附近的σx应力约6 MPa，σz应力约为8 MPa，主应力值在断层和板岩岩层处出现弯折。

3 计算成果分析

3.1 毛洞开挖结果分析

3.1.1 围岩变形

围岩表现为因洞室开挖造成向临空面产生卸载回弹变形。图3为2号机组典型断面开挖位移云图，位移值“+”为竖直向上，“-”为竖直向上。从图5可知，围岩的位移变化规律相似，整体表现为洞室拱顶下降，底板向上拱起，洞室边墙向洞室内部移动，并且随着洞室的开挖，洞室拱顶及边墙位移随着开挖不断增大。洞室群开挖完成后，主厂房边墙上游最大位移出现在2号机组段上游墙中点处，为22.2 mm，下游边墙最大位移出现在1号机组段下游墙中点处，为23.7 mm，顶拱沉降量为27.6 mm，底拱隆起量为23.6 mm；主变室位移一般相对较小，主变室顶拱最大位移为21.1 mm，底拱隆起量为19 mm，上、下游边墙最大位移出现在1号母线洞斜上方高程2 034 m处，分别为9.2、22.3 mm。

图5 2号机组典型断面开挖洞周围岩位移云图

洞室沿着板岩倾向方向出现位移大变形，主要是因为板岩为软质岩体，薄层结构，层间以钙质、泥质胶结，粘聚力差，工程力学性质差，受到扰动时极易产生沿结构面的变形。

3.1.2 围岩应力

毛洞开挖2号机组典型断面最小、最大主应力云图见图6。从图6可知，进行第1期开挖时，主厂房和主变室两侧拱脚处均出现不同程度的压应力集中现象；随着洞室开挖深度的增加以及开挖范围的扩大，围岩应力不断增加。洞室开挖完成后，随着围岩卸载变形引起洞周围岩损伤松动，厂房顶拱、底拱、上下游边墙以及洞室交汇处均出现拉应力集中现象，最大主应力为0.8 MPa；引水隧洞附近存在应力集中，最小主应力为17 MPa。

图6 毛洞开挖2号机组典型断面应力云图

3.1.3 围岩塑性区

2号机组典型断面塑性应变增量云图见图7。从图7可知，塑性破坏区的分布主要是在开挖面附近，破坏类型主要是以剪切塑性破坏为主。①在开挖过程中，板岩穿过的部位首先出现塑性变形，并在此基础上开展。从结果上来看，板岩穿过的地方发生剪切破坏变形，2大洞室之间出现上部塑性区贯通，需重点加强支护。②随着开挖的进行，塑性区体积不断增加，总体积为14万m3。③开挖结束后，塑性区深度一般为4～10 m，上游边墙塑性区最大深度为13 m，主变室顶拱塑性区深度为2 m。可见，塑性区深度已经超过了锚杆长度范围之外。

图7 2号机组典型断面塑性应变增量云图

此外，在洞室开挖初期，厂房顶拱基本上已经形成了塑性破坏区，且不会因底板开挖而不断增大，后期的开挖也不会对破坏类型造成影响。边墙的塑性破坏区域和高度成正比，即随着边墙高度的增加，塑性破坏区深度也随之不断增加；随着母线洞和尾水隧洞的开挖，2个洞室相交部位临空面加大，相应部位塑性破坏区加大。

3.2 支护效果分析

3.2.1 围岩变形

顶拱及下游围岩最大位移随开挖步数变化对比见图8。从图8可知，施加支护后，顶拱沉降量为24.1 mm，降低了87.3%；底拱隆起量为22.1 mm，降低了94%。总体看，主厂房位移变形量随着开挖深度增加而增加；支护措施对主厂房位移量控制更加明显；对比无支护和支护结果，主洞室整体位移量是减少的，说明支护体系的建立能够有效的限制围岩变形。

图8 洞周围岩位移变形量

3.2.2 围岩应力

相较于无支护，施加喷锚支护后，主厂房围岩最大应力量值变化不大，但在洞室交叉部位应力集中程度有所缓解。图9为支护施加后2号机组典型断面最小、最大主应力云图。从图9可以看出，开挖完成后，引水隧洞附近有应力集中现象，最小主应力为16.8 MPa，比毛洞开挖降低了0.8 MPa；主厂房拱座、上游边墙以及洞室交汇处最大主应力均在0.5 MPa左右，比毛洞开挖有所降低。

图9 支护施加后2号机组典型断面应力云图

3.2.3 围岩塑性区

施加支护后，洞周围岩塑性区整体变化规律和毛洞开挖方案基本相同，但分布范围较毛洞开挖有一定程度的减少，主厂房侧墙、引水隧洞、洞室交汇处等部位的塑性区减少较为明显，上游侧边墙塑性区深度减少5 m，在锚杆长度范围之内。

塑性区体积随开挖变化见图10。从图10可知，塑性区体积随开挖增大。但相较于无支护时整体破坏体积减少，从未支护的14万m3到实施之后的12.5万m3，明显减弱了洞室围岩的变形破坏能力，说明支护系统对围岩稳定有促进作用。

图10 塑性区体积随开挖变化

3.2.4 支护体系受力特征

编写fish提取锚杆应力，洞室群锚杆受力见图11。根据GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》[8]，按照钢筋受拉强度设计值确定锚杆的抗拉强度设计值为300 MPa。总体来看，锚杆应力值都在正常值范围内，但部分锚杆受力较大，其应力值已经接近抗拉强度，基本上位于顶拱区域附近以及板岩区高边墙区域的锚杆受力较大，与围岩变形破坏部位相对应，应重点加强。