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)

0 引言

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)。

1 工程概況

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。

2 隧洞開(kāi)挖方法與參數(shù)

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。

3 數(shù)值計(jì)算模型的建立及參數(shù)的選取

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

4 巖爆的預(yù)測(cè)依據(jù)

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

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

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

6 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)對(duì)比與分析

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)。

7 結(jié)論與建議

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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