易澤榮,楊 超,王玉鎖
(1.中鐵二十四局新余工程有限公司,江西新余 336600;2.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū),四川峨眉 614202)
我國(guó)水電開(kāi)發(fā)潛力巨大,水能資源蘊(yùn)藏總量達(dá)6.76億kW,多半集中在國(guó)家西部金沙江、雅碧江、大渡河、瀾滄江、鳥(niǎo)江、紅水河和黃河上游,由于這一地區(qū)雨量充沛,河谷狹窄陡峻,適宜修建許多高水頭大容量的水電站,所以也常需要布置大斷面引水隧洞或高壩。與交通隧洞相比,水電隧洞具有大斷面、大埋深和高地應(yīng)力等特點(diǎn),這些特點(diǎn)給隧洞結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。目前,國(guó)內(nèi)已有較多關(guān)于大斷面隧洞開(kāi)挖方法與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的研究:宋冶等[1]根據(jù)黃土大斷面隧洞的不同施工方法提出了適用于該地質(zhì)條件的安全監(jiān)測(cè)控制基準(zhǔn);李斌[2]以瀏陽(yáng)河隧道等工程為背景,采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等手段對(duì)軟巖大斷面隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性及其控制方法進(jìn)行研究。但這些研究都集中在交通隧洞方面,對(duì)水工隧洞開(kāi)挖方法與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的研究則比較有限。針對(duì)以上問(wèn)題,本文依托黃金坪水電站尾水隧洞工程,介紹了該工程采用的分層開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù),采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段進(jìn)行了深埋大斷面尾水隧洞開(kāi)挖結(jié)構(gòu)安全研究,分析圍巖與支護(hù)的受力狀態(tài)和發(fā)生巖爆的可能,在數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相互驗(yàn)證的條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估,通過(guò)以上措施,最終實(shí)現(xiàn)了隧洞的安全通過(guò)。
黃金坪水電站尾水隧洞處于大渡河上游河段,系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫(kù)22級(jí)”的第11級(jí)水電站,位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮(zhèn)黃金坪上游約3.2 km處。尾水隧洞斷面為城門(mén)洞型,其開(kāi)挖斷面為494.08 m2,縱坡i=0。尾水隧洞圍巖為斜長(zhǎng)花崗巖、石英閃長(zhǎng)巖,并穿插有花崗閃長(zhǎng)-角閃斜長(zhǎng)巖質(zhì)混染巖。局部施工洞段存在斷層、裂隙密集帶及卸荷拉裂縫,巖體總體較完整,多呈次塊狀或鑲嵌結(jié)構(gòu),施工段以Ⅲ級(jí)圍巖為主,部分高地應(yīng)力施工段存在發(fā)生巖爆的可能。
尾水隧洞開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為19.4 m×26.8 m,為保證結(jié)構(gòu)安全與提高施工進(jìn)度,隧洞開(kāi)挖分4層進(jìn)行:頂層采用導(dǎo)坑擴(kuò)挖法(兼作通風(fēng)通道),底層采用全斷面一次開(kāi)挖,其余各層采用預(yù)留核心土的開(kāi)挖方法,第Ⅰ層開(kāi)挖高度8.5 m,第Ⅱ?qū)?、第Ⅲ層開(kāi)挖高度8.0 m,尾水隧洞橫斷面開(kāi)挖順序見(jiàn)圖1。隧洞初期支護(hù)設(shè)計(jì)采用噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)和型鋼支撐(格柵鋼架)的綜合防護(hù)系統(tǒng)。噴射混凝土采用C25濕噴混凝土(極限抗壓強(qiáng)度為19.0 MPa,極限抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa),在隧洞拱部、邊墻以及仰拱全斷面施作,系統(tǒng)錨桿采用φ28與φ32砂漿錨桿交錯(cuò)布置(L=8 m),隧洞噴射混凝土厚度為0.25 m,內(nèi)嵌 φ6.5@15 cm×15 cm的掛網(wǎng)鋼筋。
本次采用FLAC有限差分軟件對(duì)隧洞開(kāi)挖支護(hù)工程進(jìn)行數(shù)值模擬,所建隧洞埋深為138 m,開(kāi)挖斷面為494.08 m2,考慮隧道的邊界效應(yīng)[3],隧道整個(gè)計(jì)算范圍為194 m×210.5 m×1 m(寬×高×長(zhǎng)),整個(gè)模型共劃分了43 564個(gè)單元,87 684個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型左、右邊界與底部邊界均施加約束。數(shù)值模型見(jiàn)圖2。
圍巖采用莫爾-庫(kù)侖模型,該模型的破壞包絡(luò)線對(duì)應(yīng)于莫爾-庫(kù)侖判據(jù)(剪切屈服函數(shù))加上拉伸分離點(diǎn)(拉應(yīng)力屈服函數(shù)),見(jiàn)式(1)與式(2),當(dāng)fs<0時(shí),巖體將發(fā)生剪切破壞;當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足ft>0時(shí),巖體將發(fā)生拉伸破壞。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型,這類本構(gòu)模型具有卸載可恢復(fù)變形的特性。
圖1 橫斷面開(kāi)挖順序示意圖(單位:cm)Fig.1 Cross-section and excavation sequence of tailrace tunnel(cm)
圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model
式中:σ1,σ3為最大、最小主應(yīng)力;c為巖體的黏聚力;φ為巖體的內(nèi)摩擦角。
Ⅲ級(jí)圍巖參數(shù)根據(jù)工程勘察資料結(jié)合相關(guān)規(guī)范選?。?],由于錨桿的作用既有改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)作用,又有提高巖石力學(xué)參數(shù)的物理作用,但數(shù)值模擬計(jì)算中現(xiàn)行桿單元不能有效地反映錨桿這一復(fù)雜的支護(hù)作用[5],所以本次分析采用等效的方法,將錨桿的作用通過(guò)提高隧洞外部錨桿加固范圍內(nèi)(圍巖加固圈)的圍巖力學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),按照等效剛度原則[6],并參考相關(guān)文獻(xiàn)[5,7]進(jìn)行折減計(jì)算得到。材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。數(shù)值模擬中的開(kāi)挖順序均與實(shí)際開(kāi)挖順序(見(jiàn)圖1)相同。
表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters
根據(jù)對(duì)現(xiàn)有巖爆預(yù)測(cè)[8-9]方法的研究,結(jié)合地質(zhì)資料收集情況,此次巖爆預(yù)測(cè)選擇《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》提出的判據(jù)評(píng)價(jià)隧洞巖爆發(fā)生的可能性及其烈度,判斷依據(jù)見(jiàn)表2,其中Rb為飽和單軸抗壓強(qiáng)度,本工程取70 MPa,σm為圍巖應(yīng)力。
表2 巖爆判據(jù)Table 2 Criterion of rock burst
1)Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖完成后圍巖受力情況。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖完成后圍巖的塑性區(qū)分布、第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。
從圖3可以看出,由于頂層采用先中部開(kāi)挖,再向兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)刷挖的方式進(jìn)行開(kāi)挖,刷掉的是圍巖松動(dòng)圈外圈的低應(yīng)力松散帶,避免了擾動(dòng)深部圍巖,與具有類似開(kāi)挖斷面的工程相比[10],頂部塑性區(qū)明顯減少。塑性區(qū)主要為剪切破壞,底部拉伸破壞區(qū)分布范圍較小。塑性區(qū)主要分布在邊墻兩側(cè)5 m范圍內(nèi),說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)較合理。隧洞兩側(cè)大部分圍巖處于受壓狀態(tài),拱頂中部與部分隧洞底部處于受拉狀態(tài),第1主應(yīng)力最大值為0.86 MPa(受拉),位于拱頂中央部位,未超出圍巖加固圈的抗拉強(qiáng)度(見(jiàn)表1);開(kāi)挖斷面的邊角處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,第3主應(yīng)力最大值為6.25 MPa(受壓),Rb/σm最小值為 11.2,參照表 2判斷,不會(huì)發(fā)生巖爆。
2)隧洞開(kāi)挖完成并施加完支護(hù)后的圍巖受力情況。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到隧洞開(kāi)挖完成并施加支護(hù)后的圍巖塑性區(qū)分布、第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。
從圖4可以看出,隧洞開(kāi)挖完成并施加完支護(hù)后,拱頂塑性區(qū)分布較少,塑性區(qū)主要集中在隧洞兩側(cè),主要分布在邊墻兩側(cè)5 m范圍內(nèi),說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)合理;塑性區(qū)主要為剪切破壞,未出現(xiàn)拉伸破壞;隧洞兩側(cè)的圍巖大部分處于受壓狀態(tài),第1主應(yīng)力最大值為0.86 MPa(受拉),位于拱底中央部位,未超出圍巖抗拉強(qiáng)度(見(jiàn)表1);開(kāi)挖斷面底部的邊角處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,第3主應(yīng)力最大值為6.9 MPa(受壓),Rb/σm最小值為10.1,參照表 2,不會(huì)發(fā)生巖爆;支護(hù)結(jié)構(gòu)的第1主應(yīng)力最大值為0.6 MPa(隧洞底部中間部位),第3主應(yīng)力最大值為5 MPa(隧洞底部邊角處),均未超出混凝土的極限強(qiáng)度。總體上看,施加支護(hù)后,除隧洞底部外,隧洞圍巖大部分呈受壓狀態(tài),圍巖受力狀態(tài)良好,但施工中應(yīng)及時(shí)封閉隧洞底部,抑制其隆起變形,并加強(qiáng)邊墻底部墻角處的支護(hù)。
圖3 Ⅰ、Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖完成后圍巖受力情況Fig.3 Stress conditions of rock mass after Bench I and Bench II are excavated
圖4 隧洞開(kāi)挖完成并施加完支護(hù)后的圍巖受力情況Fig.4 Stress conditions of rock mass after excavation and support
為了解開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)情況,在尾水隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)布置5套多點(diǎn)位移計(jì)(每套測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4)進(jìn)行位移測(cè)量,具體監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖5,根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出的其中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值與相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3(僅選取監(jiān)測(cè)斷面的1/2),其中多點(diǎn)位移計(jì)M41WS-3觀測(cè)成果過(guò)程線見(jiàn)圖6,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的M41WS-3位置監(jiān)控點(diǎn)位移見(jiàn)圖7。
圖5 尾水隧洞監(jiān)測(cè)斷面位移計(jì)布置圖Fig.5 Layout of displacement gauges
圖6 尾水隧洞多點(diǎn)位移計(jì)M41WS-3觀測(cè)成果過(guò)程線Fig.6 Displacement measured by multi-point displacement gauges(M41WS-3)
圖7 數(shù)值計(jì)算位移曲線(M41WS-3)Fig.7 Curves of displacement obtained by numerical calculation(M41WS-3)
表3 監(jiān)控量測(cè)與數(shù)值模擬位移Table 3 Displacement measured vs.that obtained by numerical simulation
由表3可以看出,多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值均較小,未發(fā)生較大的變形;多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)位移基本都隨測(cè)點(diǎn)深度的增大而減小,孔口位移值最大,位移計(jì)測(cè)點(diǎn)深度超過(guò)5 m的測(cè)點(diǎn)位移值均較小(最大值僅為5.17 mm);其中位于邊墻上部M41WS-6位置的孔口位移值最大,為 31.64 mm,位于拱頂部位M41WS-10位置的孔口位移值最小,為2.63 mm??梢?jiàn),開(kāi)挖施工對(duì)邊墻上部?jī)蓚?cè)的圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)最大,而拱頂中部圍巖的擾動(dòng)最小。由于數(shù)值模擬計(jì)算考慮了圍巖的最不利狀況,與現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比,數(shù)值模擬計(jì)算得到的位移值偏大,但表現(xiàn)了相同的規(guī)律:位移均隨位移計(jì)測(cè)點(diǎn)深度的增大而減小,拱頂位移值最小,最大位移位于邊墻上部。
由圖6和圖7可以看出,監(jiān)測(cè)點(diǎn)M41WS-3位移在開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中有較大變化,但開(kāi)挖支護(hù)完成后,位移隨時(shí)間變化較小,隧洞基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的比較,說(shuō)明本文采用數(shù)值模擬分析的方法能定性地反映圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),同時(shí),隧洞開(kāi)挖過(guò)程以及支護(hù)完成后都處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。
采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的手段,對(duì)隧洞圍巖與支護(hù)的的受力狀態(tài)進(jìn)行了研究,得出結(jié)論并提出建議。
1)隧洞斷面劃分為4層開(kāi)挖,頂層采用導(dǎo)坑擴(kuò)挖法,先開(kāi)挖中部導(dǎo)坑,再向兩側(cè)進(jìn)行刷擴(kuò)處理,由于刷掉的是圍巖松動(dòng)圈外圈的低應(yīng)力松散帶,避免了擾動(dòng)深部圍巖,有利于結(jié)構(gòu)安全。
2)本工程在特大斷面中采用的分層開(kāi)挖與支護(hù)方案能滿足隧洞結(jié)構(gòu)安全的要求,發(fā)生巖爆的可能性較小,但施工中應(yīng)及時(shí)封閉隧洞底部,抑制其隆起變形,并加強(qiáng)邊墻底部墻角處的支護(hù)。
3)文章采用莫爾-庫(kù)侖模型與彈性模型進(jìn)行數(shù)值模擬得到的圍巖變形規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)得到的數(shù)據(jù)基本相同,能定性地反映圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),而且數(shù)值模擬能有效地彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)無(wú)法形象反映圍巖應(yīng)力應(yīng)變的缺點(diǎn),對(duì)改善施工方法,提高施工安全具有指導(dǎo)作用。
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