張羅彬，李治國，劉暢

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

隨著我國地下空間開發(fā)建設(shè)的發(fā)展，地下洞室埋藏深度不斷增大，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，高地應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性影響問題越來越突出。近年來，人們雖然對高地應(yīng)力條件下深埋地下洞室圍巖的破壞形態(tài)、破壞機制及穩(wěn)定性評價進(jìn)行了大量研究，但至今尚存在不同認(rèn)識。筆者以某水電站地下發(fā)電廠房洞室群穩(wěn)定分析為研究對象，對高地應(yīng)力條件下深埋地下洞室脆性圍巖穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了初步探討，并用模型試驗對分析成果進(jìn)行了驗證，為深入研究作借鑒與參考。

1 工程概況

某水電站位于四川省境內(nèi)的大渡河上，總裝機容量2000 MW。電站地下廠房洞室群位于左岸山體內(nèi)，主要包括主廠房、主變室及尾水調(diào)壓室等。主廠房頂拱開挖跨度28.3 m，開挖高度67.3 m;主變室開挖跨度20 m，開挖高度35.7 m;尾水調(diào)壓室開挖跨度20 m，開挖高度76 m。

廠址區(qū)河谷屬高山峽谷地形，兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，臨江坡高達(dá)1000 m 以上，左岸坡度為35°～50°，右岸為45°～60°，呈略不對稱的“V”型谷。

地下廠房洞室群水平埋深大于400 m，垂直埋深大于600 m。洞室群圍巖以黑云鉀長花崗巖為主，巖性單一，巖體強度較高，廠區(qū)無大規(guī)模斷層、構(gòu)造帶和軟弱巖帶分布。巖體結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，完整性較好，呈塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，屬于以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主的脆性巖石。最大主應(yīng)力σ1與廠房縱軸線夾角約15°。地下水活動微弱，局部洞壁有滲、滴水。廠房地處高應(yīng)力區(qū)，實測最大主應(yīng)力約38 MPa。由高地應(yīng)力引起的巖爆等巖石脆性破壞現(xiàn)象在前期施工的地下洞室中非常普遍，其中規(guī)模最大的一次破壞造成洞室(開挖斷面尺寸為19 m×20 m)邊墻中上部垮塌長度超過70 m，最大深度達(dá)2 m。地下廠房圍巖物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

2 圍巖穩(wěn)定性分析

表1 地下廠房洞室圍巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值表

2.1 高地應(yīng)力下圍巖的破壞特性

高地應(yīng)力是一個相對的概念，其形成與巖體埋深、地質(zhì)構(gòu)造、巖體強度及巖石彈模等因素有關(guān)。在工程實際中，通常將巖體的初始地應(yīng)力大于20 MPa 時稱為高地應(yīng)力?！端Πl(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287-2006規(guī)定:巖石強度應(yīng)力比Rb/σm=2～4時為高地應(yīng)力;Rb/σm＜2時為極高地應(yīng)力。高地應(yīng)力下地下洞室的圍巖破壞特性主要表現(xiàn)為:洞室開挖后，由于巖體邊界條件發(fā)生變化，巖石材料的力學(xué)特性發(fā)生改變，應(yīng)力重分布導(dǎo)致圍巖內(nèi)部破裂，如果巖體內(nèi)的應(yīng)力迅速達(dá)到或超過巖體強度，則產(chǎn)生巖爆與片幫、應(yīng)力型坍塌等劇烈型破壞。這種破壞由于發(fā)生突然且常常具有一定動能，極易在施工過程中將造成如人員傷亡、設(shè)備損毀等災(zāi)害性后果。同時，由于圍巖內(nèi)部破裂在很長一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)展，圍巖變形在很長一段時間內(nèi)不收斂，對圍巖及支護(hù)系統(tǒng)的長期安全性產(chǎn)生影響。

2.2 圍巖穩(wěn)定性評價指標(biāo)

對一般應(yīng)力條件下地下工程穩(wěn)定性的研究，常以塑性損傷區(qū)、位移、應(yīng)力作為圍巖穩(wěn)定性分析的主要評價指標(biāo)。而高地應(yīng)力條件下的工程則更關(guān)注和需要解決的問題是巖爆等高地應(yīng)力型破壞對施工安全的影響及圍巖破裂和破裂持續(xù)發(fā)展對圍巖長期安全性的影響。實際工程監(jiān)測成果顯示，脆性巖體在彈性狀態(tài)下也可以出現(xiàn)破裂，出現(xiàn)嚴(yán)重破壞時圍巖變形量也可能比較小，但仍滿足變形標(biāo)準(zhǔn)。因此，高地應(yīng)力條件下地下洞室的穩(wěn)定分析必須充分認(rèn)識到其特殊性，除了要對圍巖變形、卸荷破損指標(biāo)進(jìn)行評價外，還必須對巖體能量指標(biāo)進(jìn)行重點研究。

研究巖體能量指標(biāo)的主要目的是通過降低巖體的能量釋放速率控制圍巖的卸荷松弛區(qū)范圍并降低高地應(yīng)力型破壞發(fā)生的可能性，主要指標(biāo)有能量釋放率和彈性釋放能。能量釋放率(ERR)［1］概念是N.G.W.Cook 等在研究南非金礦巖爆問題時于1966年首先提出的。通過對南非金礦深部開采中巖爆事例進(jìn)行的系統(tǒng)調(diào)查和分析得出:巖爆發(fā)生次數(shù)、規(guī)模及對采礦造成的損失與地下開采能量釋放率密切相關(guān)，能量釋放率越大，發(fā)生巖爆事件的比例也越高。圖1為南非Ventersdrop Contact 和Cavabon Leader 礦脈破壞性巖爆事故次數(shù)與能量釋放率之間的關(guān)系。

圖1 巖爆發(fā)生次數(shù)與ERR 之間的關(guān)系圖

國內(nèi)外不少學(xué)者對巖體能量指標(biāo)做了大量研究工作并取得了很多有價值的成果。專家［2］認(rèn)為Cook 的能量釋放率指標(biāo)在工程應(yīng)用上存在以下局限性:(1)巖體在數(shù)值計算中被看成均勻線彈性體;(2)未考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖石材料破壞及其導(dǎo)致的應(yīng)力重分布的影響;(3)只能在大體上估計巖爆發(fā)生的可能性，而不能直接圈定巖爆發(fā)生的位置;(4)只適用于鉆爆法施工的洞室等局限性。蘇國韶等［2］提出了一種新的評價指標(biāo)——局部能量釋放率(LERR)。該指標(biāo)通過在計算中追蹤每個單元彈性能量密度變化的過程，記錄下單元發(fā)生脆性破壞前后的彈性能密度差值，得到單位體積巖體釋放的彈性能量。通過追蹤圍巖能量釋放、轉(zhuǎn)移等能量動態(tài)變化過程，定量地預(yù)測高應(yīng)力下地下工程開挖過程中圍巖脆性破壞發(fā)生的強度、破壞位置與范圍。該指標(biāo)適用性更強，預(yù)測也更科學(xué)合理。由記錄下的一個單元的局部能量釋放率乘以單元體積得到單元彈性釋放能。所有脆性破壞單元的彈性釋放能總和為彈性釋放能。

某水電站在進(jìn)行洞室群圍巖穩(wěn)定性分析時，采用了局部能量釋放率、彈性釋放能、洞室周邊位移、塑性區(qū)體積、應(yīng)力等綜合評價指標(biāo)。其中，局部能量釋放率、彈性釋放能作為巖爆發(fā)生的可能性和烈度指標(biāo)。

2.3 計算成果分析

某地下廠房三維數(shù)值模型見圖2。巖體本構(gòu)模型為彈脆塑性(CWFS)，計算軟件采用FLAC3D。

圖2 地下廠房開挖體計算網(wǎng)格圖

分析計算成果后得知其具有以下特點:

(1)開挖過程中，圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)的變化規(guī)律與一般地下洞室變化規(guī)律相似。開挖過程中特征點位移變化見圖3。支護(hù)條件下，洞室群整體穩(wěn)定性良好。

(2)類比同等規(guī)模工程，洞室無支護(hù)時開挖最大位移和塑性區(qū)深度偏小，分別為87 mm 和10m。主要原因是圍巖的強度高、完整性好。支護(hù)條件下洞室最大位移值為48 mm，塑性區(qū)最大深度為5.5 m。說明錨固支護(hù)措施實施后，圍巖的破壞和變形能得到有效限制，有無支護(hù)對圍巖應(yīng)力值影響不大。但在洞室交叉部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，最大應(yīng)力達(dá)42 MPa。

圖3 支護(hù)條件下特征點位移隨開挖變化關(guān)系圖

(3)總體看，圍巖體能量釋放隨著開挖的進(jìn)行增大較平穩(wěn)(圖4)。在洞室交叉部位增加較快，如無支護(hù)開挖，主廠房與母線洞、尾水洞交叉部位局部能量釋放率明顯增大，出現(xiàn)強烈脆性破壞現(xiàn)象和大體積貫通性塑性區(qū)。開挖完成后，局部能量釋放率較大的部位分布在洞室邊墻、突出巖臺、洞室交叉口等部位，表明這些部位圍巖彈性應(yīng)變能聚積-消散較為劇烈，易發(fā)生大變形、局部失穩(wěn)，是巖爆、應(yīng)力型坍塌等高地應(yīng)力型破壞的高發(fā)區(qū)。采取支護(hù)措施后，洞室開挖完成后圍巖釋放的總彈性釋放能降低至無支護(hù)開挖的70%左右，局部能量釋放率指標(biāo)的最大值及其分布范圍有較大減小，說明支護(hù)對控制圍巖能量釋放作用較明顯。無支護(hù)及支護(hù)工況能量釋放比較情況見圖5。

圖4 彈性釋放能隨開挖期變化規(guī)律圖

2.4 支護(hù)設(shè)計要點

高應(yīng)力地下洞室支護(hù)設(shè)計不僅需充分理解和把握圍巖變形破壞特征及演變過程，而且還要考慮如永久支護(hù)滯后時間與圍巖破裂時間之間的關(guān)系、臨時支護(hù)與永久支護(hù)強度分配及支護(hù)滯后時間的關(guān)系等一系列問題。一般而言，需滿足以下基本要求:

圖5 局部能量釋放率分布圖(單位:J/m3)

(1)支護(hù)需要具有良好的抗變形能力和抗沖擊能力。前者的主要作用為加固圍巖、形成承載拱，充分發(fā)揮圍巖自承能力，保證圍巖不出現(xiàn)有害變形;后者主要是解決巖爆等圍巖的脆性破裂對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性影響問題。

(2)采用聯(lián)合支護(hù)措施。單一支護(hù)手段已不能滿足支護(hù)要求，必須采用多種支護(hù)措施聯(lián)合作用。噴混凝土+系統(tǒng)錨桿是最常見和有效的組合，兩者之間用錨板連接。掛鋼筋網(wǎng)對保證支護(hù)結(jié)構(gòu)連接的可靠性、增強支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性有較大的作用。

(3)支護(hù)的適時性。支護(hù)設(shè)計需把握圍巖狀態(tài)變化及其對支護(hù)的需求。過早或過晚實施支護(hù)都是不可取的。開挖后如不及時支護(hù)則可能出現(xiàn)嚴(yán)重的圍巖破壞失穩(wěn)，如支護(hù)實施過早，由于圍巖破裂持續(xù)發(fā)展可能導(dǎo)致錨桿、錨索等應(yīng)力超限甚至斷裂(實際工程中，已有高地應(yīng)力洞室錨索在工作中被拉斷的例證)。因此，設(shè)計的支護(hù)措施可以分期進(jìn)行:為適應(yīng)巖爆等高地應(yīng)力型破壞往往在開挖后數(shù)小時即會發(fā)生的特點，初期先用柔性臨時支護(hù)在開挖后迅速鎖定圍巖，控制圍巖破裂發(fā)展，保證施工安全;后期跟進(jìn)系統(tǒng)的永久支護(hù)，保證圍巖長期穩(wěn)定。永久支護(hù)強度應(yīng)根據(jù)洞室監(jiān)測資料，綜合考慮支護(hù)滯后時間及初期支護(hù)強度。

(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的安全度。由于高地應(yīng)力巖體破壞特性的特殊性和復(fù)雜性，目前，還不能準(zhǔn)確描述圍巖破壞可能出現(xiàn)的變化趨勢，支護(hù)設(shè)計在很大程度上依賴工程經(jīng)驗。支護(hù)設(shè)計的錨固安全判斷標(biāo)準(zhǔn)、類型選擇要充分考慮錨桿錨索在高地應(yīng)力下的受力特點，保證其具有足夠的安全度。

3 模型試驗

為驗證數(shù)值分析成果，先后進(jìn)行了“準(zhǔn)三維”及“真三軸加荷條件”模型試驗［3］、［4］。試驗采用液壓加載系統(tǒng)模擬地應(yīng)力，圍巖采用專門研制、性能相似的巖土材料，采用高精度光柵尺做傳感器，并用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)(CV)系統(tǒng)測量洞周微量收斂位移。對數(shù)值分析選定的洞室群布置方案、施工開挖順序及支護(hù)方案進(jìn)行了試驗。試驗中，研制了可施加預(yù)應(yīng)力的微型模型錨索及埋設(shè)注漿錨桿的錨固技術(shù)。全部開挖支護(hù)試驗完畢，還進(jìn)行了超載試驗，觀察了圍巖的破裂現(xiàn)象和破裂過程，模型試驗開挖完成后的主廠房見圖6。

圖6 模型試驗開挖完成后的主廠房

比較模型試驗與數(shù)值分析成果得知，隨著施工變化，位移、應(yīng)力實測值與計算值的變化趨勢和量值基本一致。觀測點位移在關(guān)鍵開挖段實測值與計算值比較情況見圖7。

圖7 收斂觀測點位移在關(guān)鍵開挖段實測值與計算值比較圖

從超載試驗可以看出，超載達(dá)到約1.5倍開挖荷載時，圍巖相對位移突然增大，說明圍巖達(dá)到峰值強度后強度迅速降低，巖體內(nèi)的小裂縫增大，出現(xiàn)劈裂破壞。超載達(dá)到約2.5倍開挖荷載時，圍巖雖然變形較大，但尚未發(fā)現(xiàn)顯著破壞;片狀剝落現(xiàn)象開始在頂拱和邊墻出現(xiàn)，說明錨固系統(tǒng)對圍巖的破壞起到了較為有效的控制作用。

4 結(jié)語

從巖體力學(xué)特性及破壞機理看，高地應(yīng)力條件下地下洞室(特別是脆性圍巖)的圍巖穩(wěn)定評價指標(biāo)不應(yīng)僅采用變形、應(yīng)力、塑性區(qū)深度等指標(biāo)，還應(yīng)著重關(guān)注圍巖的能量指標(biāo)。從某水電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定的數(shù)值計算、模型試驗成果看，這種分析方法對高地應(yīng)力條件下的地下洞室更合理、更必要、更有針對性，對洞室群布置、開挖、支護(hù)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］Cook N G W，Hoek E，Pretorius J P G，et al，Rock mechanics applied to the stedy of rockbursts［J］Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1996，66(10):436-528.

［2］蘇國韶，馮夏庭，江權(quán).高地應(yīng)力下地下工程穩(wěn)定性分析與優(yōu)化的局部能量釋放率新指標(biāo)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(12):2453-2460.

［3］朱維申，李勇，等.高地應(yīng)力條件下洞群穩(wěn)定性的地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(7):1309-1314.