肖海波

(廣東省公路建設有限公司，廣州 510000)

由于能源、交通、城建以及環(huán)保工程的大力發(fā)展，對地下空間的利用和大規(guī)模開發(fā)呈現(xiàn)越來越強勁的勢頭。據(jù)統(tǒng)計，目前我國己建成水電站地下廠房約100座。地下廠房規(guī)模越來越大，以大跨度、高邊墻、多交叉以及結構復雜為特征。大型地下廠房的開挖方法也得到了廣泛的研究［1-6］。盡管國內在大型地下洞室的開挖方面積累了豐富的施工經驗，而且也作了一定的理論和試驗研究，但是對于大型地下洞室施工程序的選擇和開挖方法的確定仍處于一種經驗和半經驗的狀態(tài)。從圍巖應力狀態(tài)變化來看，不同的開挖支護程序意味著不同的圍巖卸載路徑，不僅會影響圍巖應力，塑性區(qū)，洞周位移的變化，而且對于高地應力地區(qū)，不同的開挖方式還會影響巖爆發(fā)生的可能性。針對錦屏二級水電站TBM組裝洞特大洞室開挖方法進行了研究，對3種不同開挖方式進行了圍巖穩(wěn)定性分析，得到了高地應力下開挖方式對圍巖穩(wěn)定性影響。并且在常規(guī)基礎上，分析了各開挖方式下，巖爆發(fā)生的可能性以及規(guī)模大小，為指導施工提供了科學依據(jù)。

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州境內的雅礱江錦屏大河彎處雅礱江干流上，系利用雅礱江錦屏150 km長“U”形大河彎的天然落差，裁彎取直鑿洞引水，額定水頭288 m的優(yōu)越水力條件。工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。采用“4洞8機”布置，引水隧洞共 4條，洞線平均長度約16.67 km。引水隧洞上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為深埋長隧洞特大型地下水電工程。

錦屏二級電站東端3號引水隧洞TBM主機組裝洞和后配套安裝間為超大斷面地下洞室，施工里程:引(3)15+952～引(3)16+200，長248 m。主機組裝洞是TBM刀盤、主驅動、主梁、錨桿鉆機、撐靴、設備連接橋等主機部分和重要部件的組裝場地，其斷面形式與結構尺寸變化情況復雜，其高27 m，寬21 m，長83 m，為城門洞型斷面，為了更好地進行設備吊裝，在高度18 m位置設置了2×130 t及2×40 t橋式起重機的軌道梁，斷面尺寸如圖1所示。組裝洞所在地層為T2y6中薄層泥質灰?guī)r、條帶大理巖和灰黑細晶大理巖，以近SN向層面裂隙和近EW向張性結構面發(fā)育為主，圍巖類別主要集中在圍巖屬II至Ⅳ級，脆性較好，巖體完整性一般，地下水不豐，可產生輕微巖爆。埋深達1 500 ～2 525 m，最大高地應力值達 69.94 MPa，東端已開挖深處實測最大主應力值達42.11 MPa，主要工程地質問題有高地應力和巖爆、涌(突)水、高地溫、有害氣體、圍巖穩(wěn)定及隧洞所穿越的斷層破碎帶等。

圖1 TBM組裝洞斷面(單位:mm)

2 計算模型

2.1 建立模型

計算坐標:X軸與TBM組裝洞水平軸平行，Y軸與大地坐標重合，Z軸與主廠房縱軸線重合，坐標原點為洞室底板與洞室縱軸線交點。計算范圍:左右邊界距TBM組裝洞中心80 m，底部邊界距TBM洞室地板距離60 m。由于TBM洞室埋深較大，根據(jù)洞室斷面尺寸，取頂部邊界距離坐標原點100 m，模型邊界尺寸如圖2所示。

數(shù)值計算采用FLAC3D軟件。巖體采用實體單元進行模擬，錨索采用Cable結構單元，拱頂部位的錨桿施加相應的預應力，初期支護采用Shell殼單元模擬，并賦予相應的厚度。三維數(shù)值模型計算網格和開挖體的計算網格如圖3所示，單元總數(shù)88 980，節(jié)點總數(shù)95 232。

圖2 模型邊界(單位:m)

圖3 整體模型

2.2 初始應力及邊界條件

考慮TBM組裝洞與地應力測量主應力平面方位與傾角的關系，根據(jù)新的地應力測試成果以及地應力反演理論進行三維初始應力場反演回歸分析，并根據(jù)地應力反演大區(qū)域下的地應力值進行插值計算得到了TBM組裝洞所處區(qū)域的地應力值，其應力值見表1所示。

表1 TBM組裝洞地應力計算值 MPa

由于計算模型區(qū)域應力場由大區(qū)域下的地應力場插值計算而得，考慮邊界效應對計算結果精確度的影響，計算區(qū)域邊界取值超過洞室半徑的6倍左右，邊界采用位移邊界條件，四周固定位移約束。

2.3 巖體本構模型及材料參數(shù)

巖石力學室內試驗結果和現(xiàn)場調研都表明地下廠房洞群地段花崗巖脆性性質十分明顯，本次計算采用摩爾庫倫準則，根據(jù)現(xiàn)場調查以及巖石力學測試結果，給出了3號引水隧洞TBM洞室計算區(qū)域圍巖力學指標如下:彈性模量E為15 GPa，泊松比0.25，巖石內摩擦角40°，黏結力2 MPa，巖石拉應力強度1.2 MPa。

2.4 開挖方法與支護參數(shù)

為了合理選擇施工工法，確保施工安全，經工程類比，本文采用了3種開挖方法對比分析，如圖4～圖6所示，其中的數(shù)字表示開挖順序，開挖進尺為3 m。方案1為常規(guī)臺階法開挖，方案2為提高施工速度與減少對圍巖的擾動，采取了新增輔助工作面的開挖方法，拱頂采用中導洞法開挖。方案3為常規(guī)拱頂開挖方法的另外一種，即留核心土體開挖方法，與方案2進行對比分析。

圖4 方案1

圖5 方案2

圖6 方案3

支護參數(shù)為拱頂噴射C25混凝土15 cm，掛φ8 mm@15 cm×15 cm 鋼筋網;T=100 kN，φ32 mm，L=8 m@1.5 m×1.5 m漲殼式預應力中空注漿錨桿。邊墻噴射C25混凝土厚15 cm，掛φ8 mm@15 cm×15 cm鋼筋網，砂漿錨桿。在軌道梁處采用加密砂漿錨桿，φ28 mm，L=7 m@1 m×1.5 m，其中外露1 m與橋式起重機軌道梁混凝土相結合。邊墻和底板采用C25鋼筋混凝土澆筑，支護參數(shù)分布形式如圖7所示。

3 計算結果分析

3.1 位移分析

為了便于分析3種開挖方式對洞室周邊位移的影響，在模型Z=-24 m的中間斷面作為位移分析的典型斷面，TBM洞室開挖完成后，洞室兩邊墻最大位移值，拱頂最大位移值大小分別如圖8～圖10所示。可以看出，多工作面開挖能有效的降低洞室周邊圍巖的位移值。在兩邊墻處，case2與case3水平位移均要小于case1邊墻水平位移，case2與case3兩邊墻水平位移差別不大，另外還可以看出右邊墻水平位移值要大于左邊墻水平位移值，說明洞室周邊位移受地應力影響較大。從拱頂最大位移值來看，case2與case3豎向位移均要小于case1豎向位移，case3拱頂豎向位移要小于case2豎向位移，說明留核心土體開挖方法能有效的降低拱頂豎向位移，但對兩邊墻水平位移影響不大。

圖7 支護分布

圖8 左邊墻水平位移

圖9 右邊墻水平位移

圖10 拱頂豎向位移

3.2 應力分析

洞室開挖對圍巖產生擾動，使得圍巖應力發(fā)生二次重分布，選擇模型Z=-24 m的中間斷面作為應力分析的典型斷面，選擇左右兩邊墻與拱頂應力值進行分析，各開挖方案第一主應力值大小如圖11～圖13所示，具體數(shù)值大小如表2所示。

圖11 左邊墻第一主應力

圖12 右邊墻第一主應力

圖13 拱頂?shù)谝恢鲬?/p>

表2 各開挖方案應力值大小 MPa

從第一主應力值大小變化可以看出，多工作面開挖能有效降低對圍巖的擾動，case1開挖方案洞周應力釋放程度均要大于case2與case3開挖方案。從兩邊墻應力值變化來看，case2，case3開挖方案更有效地減低了對右邊墻應力。從拱頂應力變化來看，case2，case3開挖方案對拱頂應力減少幅度不大。case2，case3兩開挖方案之間對洞室圍巖應力影響差別不大。從第三主應力值變化來看，case1開挖方案第三主應力值要大于case2，case3開挖方案。

3.3 塑性區(qū)分析

塑性破損區(qū)大小反映了圍巖的力學性狀，能直接表示出洞室開挖后，洞室圍巖破壞范圍以及大小，因此通過對比分析塑性區(qū)體積的大小，能有效地反映出各開挖方案之間的好壞。統(tǒng)計分析各開挖方案開挖過程中，形成的塑性區(qū)總體積，得到結果如圖14所示。從圖中可以看出，case2，case3開挖方案形成的塑性區(qū)體積均小于case1開挖方案。case3留核心土體開挖方案形成的塑性區(qū)體積要小于case2開挖方案，減少幅度為6.5%。

圖14 塑性區(qū)體積

3.4 能量分析

針對該洞室所處地應力較大，有發(fā)生巖爆的可能性。為了確定各開挖方案間巖爆發(fā)生的可能性大小，以及發(fā)生巖爆的具體位置。本文采用了巖爆評判新指標局部能量釋放率［7］，進行了能量分析。局部能量釋放率為在巖體中開挖地下洞室時，圍巖局部集聚的應變能超過巖體的極限儲存能時單位體積的巖體突然釋放的能量。指標的實現(xiàn)可在數(shù)值模擬計算中，采用彈脆塑性本構模型，通過追蹤每個單元彈性能量密度變化的全過程，記錄下單元發(fā)生破壞前后的彈性能密度差值，即為該單元的局部能量釋放率。

開挖過程中單元彈性能量密度減少，表示能量釋放。追蹤各開挖方案每開挖步所釋放的能量總大小，得到如圖15所示。從圖中可以看出，case1開挖方案能量峰值要大于case2、case3開挖方案，case2、case3開挖方案能量峰值差別不大。Case1開挖步能量峰值最大，主要是因為每開挖步開挖體積較大，造成了圍巖臨空范圍較大，釋放能量多，從而提高了巖爆發(fā)生的可能性。case2、case3開挖步較多，能量釋放緩慢，降低了巖爆發(fā)生的可能性。

圖15 各開挖步釋放能量

為了更確切地確定各開挖方案中巖爆發(fā)生的規(guī)模大小與具體位置，根據(jù)局部能量釋放率能直接反映出開挖過程中圍巖釋放能量的大小，在參考前人成果以及現(xiàn)場實踐經驗的基礎上提出以局部平均能量釋放率大于300 kJ為巖爆發(fā)生的敏感值。在計算結果中提取出局部能量釋放率大于300 kJ的單元體積與能量，得到結果如圖16所示。

圖16 大于300 kJ圍巖能量與體積大小

從圖中分析可得，case1，case3方案破壞巖體能量釋放率較大，破壞巖體體積也較大，case2方案能量釋放率減小，破壞巖體減小明顯。由此可以看出，case3開挖方案雖然減少了對圍巖的擾動，圍巖釋放能量較case1開挖方案釋放緩慢，但在拱頂圍巖開挖過程中，卻增大了巖爆發(fā)生的可能性以及規(guī)模大小。在發(fā)生巖爆可能性以及規(guī)模最大的典型開挖步中，選擇平均能量釋放率大于100 kJ的圍巖，各開挖方案圍巖能量釋放分布范圍如圖17所示。從圖中可以看出，巖爆發(fā)生的位置一般在洞室拱頂，右邊墻以及開挖輔助洞室的拱頂?shù)任恢?。綜合比較分析認為case2方案在洞室圍巖穩(wěn)定性、巖爆發(fā)生傾向性、施工方案可行性以及費效比具有綜合性的優(yōu)勢，因此在實際施工中選擇case2進行TBM組裝洞的施工。

圖17 能量釋放分布范圍

4 監(jiān)測分析

為了解組裝洞開挖過程中圍巖應力變化和變形情況，在主機組裝洞引(3)16+000位置的圍巖中安裝埋設了錨桿應力計、多點變位計和反射膜片監(jiān)測圍巖應力變化及支護結構變形情況。斷面共布設5個監(jiān)測點，分別位于拱頂、兩拱肩及兩邊墻位置。在此主要對錨桿應力計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，選取拱頂應力計實測數(shù)據(jù)，得到如圖18所示結果。通過圖形可以看出，圍巖應力隨開挖過程變化而不斷調整并最終趨于穩(wěn)定，各測點錨桿應力計的應力值變化不大，隨著時間的推移，應力值變化很小，最終趨于穩(wěn)定，表明該圍巖穩(wěn)定。這也表明圍巖的開挖順序是合理的，施工方法是科學的。也可以證明圍巖的穩(wěn)定性以及地下結構的安全性，從而說明整個施工方案是可行的。

圖18 拱頂錨桿應力隨時間變化過程

5 結論

本文對錦屏二級水電站TBM組裝洞特大斷面洞室開挖方法進行了研究，分析了3種開挖方案對圍巖穩(wěn)定性影響，并采用了巖爆評判新指標局部能量釋放率，進行了能量分析，得到以下結論。

(1)多工作面開挖能有效降低洞室周邊位移。拱頂開挖方案的不同對洞室兩邊墻水平位移影響不大，但留核心土體開挖方法能有效地降低拱頂豎向位移。

(2)多工作面開挖，因為一次開挖塊體體積小，從而減少了對圍巖的擾動，應力釋放過程緩慢，有利于圍巖的穩(wěn)定。從塑性區(qū)來看，所形成的塑性區(qū)大小也要小于一次開挖體積較大的塑性區(qū)。留核心土體開挖方法能有效地降低洞室開挖過程中塑性區(qū)體積總大小。

(3)通過對各開挖方案圍巖局部能量釋放率分析，case1、case3開挖方案較case2開挖方案均提高了巖爆發(fā)生的可能性以及規(guī)模大小，因此從施工安全性來說，case2開挖最合適。

(4)綜合各開挖方案對圍巖穩(wěn)定性以及巖爆發(fā)生可能性分析，case2開挖方案最具有綜合性優(yōu)勢，施工中采取case2開挖方案能滿足圍巖的穩(wěn)定性要求及地下結構安全性要求。

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