胡 亮，赫 雷，趙靜雅，宋 朝

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

地下洞室開挖及初期支護過程中的圍巖穩(wěn)定性問題，一直是水電工程施工過程中參建各方關心的主要工程地質問題，一旦發(fā)生大規(guī)模的垮塌事故，將會帶來巨大的人員傷亡和財產損失。通過分析大量實際工程，國內外的專家逐漸總結出一套相對完善的洞室勘察及圍巖穩(wěn)定評價的理論體系。本文以某水電站工程為例，分析研究水平巖層層洞室開挖支護初期，洞室圍巖及支護應力應變分布情況。

1 工程概況

該水電站位于中南半島南部，東、西、北三面為高原，中部為平原并向南延展入海。北部扁擔山脈東西延伸約300km，西部和西南部稱豆蔻山脈，南部為象山山脈，向海岸延伸。工程所在河流位于柬埔寨西南部的戈公?。↘OH KONG），北西向展布的豆蔻山脈的西南麓，南北向展布的象山山脈西麓，地勢總體走勢是北東高、南西低。工程位置周邊區(qū)域為海拔低于500m的平緩山丘，屬低山地形。河流及沖溝切割較深，多形成“U”型谷或“V”型谷，植被茂盛，為原始森林區(qū)；上游河谷寬約10～15m左右，至下游增加至70m以上。

該水電站由上、下電站兩個梯級組成，以發(fā)電為主要任務，上、下電站均為大（2）型二等工程。上、下電站主要水工建筑物為擋水建筑物、泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。整個工程洞室開挖的總長度達到6.9km。施工過程中，洞室圍巖的穩(wěn)定及襯砌的變形大小，對工程的施工進度和質量顯得尤為重要。

2 地質背景

工程區(qū)主要出露侏羅系地層，為陸相沉積的碎屑巖，巖層近似水平。巖性主要為石英砂巖、紫紅色泥巖、泥質砂巖等。以砂巖為主的砂巖巖組與以泥巖為主的泥巖巖組相間分布，層位相對較穩(wěn)定；砂巖巖組多為中厚層～厚層狀；泥巖巖組為薄層狀結構，局部夾砂巖、粉砂巖等。

工程區(qū)內碎屑巖巖層近似水平，構造不發(fā)育，中生代地層未經過強烈擠壓；平原與山區(qū)結合部位無大斷裂發(fā)育，新構造運動不明顯。工程區(qū)挽近期以來，地殼處于緩慢抬升、廣遭剝蝕、構造活動相對微弱，地震基本烈度為小于Ⅵ度。

工程區(qū)物理地質現象主要表征為風化與卸荷、崩塌。全強風化一般分布在緩坡地段，垂直深度一般5～20m；弱風化深度一般河床較淺，垂直深度5～10m，兩岸稍深，岸坡段一般垂直深度20～40m不等，存在夾層風化現象。卸荷多發(fā)育在砂巖形成的陡坡地段，水平深度10～20m。

3 巖石物理力學性質

3.1 巖石礦物成分

工程區(qū)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)石英砂巖、泥巖、泥質砂巖和砂質泥巖等。依據工程區(qū)鉆孔揭示，將壩址區(qū)125m高程以下地層分為以下工程地質巖組，砂巖巖組厚度約占總厚度的85%，泥巖巖組約占總厚度的15%。

第①、③、④、⑤、⑦、⑨、?、?、?為砂巖巖組，其中第④層巖性主要為紫紅色泥質砂巖，其余巖性主要為灰白色石英砂巖。砂巖多為中厚層～厚層狀，厚度一般12～18m。石英砂巖以灰白色為主，巖石中因含泥質量增加而相變?yōu)槟噘|砂巖，呈淺紅色～紫紅色。碎屑成分主要為石英，含量約60%～95%，其它為泥質、巖屑及少量的鐵質，硅質膠結為主，次為鈣質及泥質膠結，巖質堅硬。泥質含量相對較高的泥質砂巖失水時具有微弱崩解性。

第②、⑥、⑧、⑩、?為泥巖巖組，局部夾砂巖、粉砂巖等，層厚一般4.5～7.0m，薄層狀結構，泥巖類以紫紅色為主，個別為灰綠色、深灰色、青灰色，粘土質結構，塊狀構造或層狀構造。礦物成分主要為水云母，含量約55%～85%，石英含量5%～20%，其它為綠泥石、菱鐵礦等，個別含有蒙脫石，高嶺石。天然狀態(tài)下性狀較好，失水或飽水后易風化崩解，力學性質變差。巖塊內因石英含量的不同而崩解性有差異，泥巖為強崩解性，砂質泥巖次之。

3.2 巖石（體）物理力學性質

工程區(qū)布置了大量勘測鉆孔，主要鉆孔鉆進采取率及RQD統(tǒng)計情況，見表1。

為了解砂巖、泥巖的物理力學性質，工程共計完成巖石巖礦鑒定及化學成分分析26組，巖石常規(guī)物理力學試驗19組；泥巖受其工程特性的影響，在現場開展了點荷載試驗，部分砂巖亦開展了該試驗，共計162塊，并在現場開展泥巖崩解試驗，共計60塊。綜合考慮巖性、巖體的完整性、鉆孔的采取率及RQD值，以地質專業(yè)提供的巖體力學參數為基礎并對其做適當修正后［1］，給出工程區(qū)巖體力學參數建議值，見表2。

4 工程區(qū)洞室圍巖分類

根據巖性、巖體結構、巖體風化及結構面特征，采用GB50287-2016《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》附錄L圍巖分類方法，將工程區(qū)地下洞室圍巖分為如下幾類，見表3。

進行分類時，主要考慮了以下幾個方面：

表1 工程區(qū)主要鉆孔鉆進采取率及RQD統(tǒng)計

表2 巖體試驗成果表（力學參數為順層抗剪斷試驗）

（1）巖石的抗壓強度：采用鉆孔巖芯樣的強度指標，砂巖取飽和抗壓強度，泥巖取天然狀態(tài)下點荷載進行修正后的抗壓強度；

（2）巖體的完整性：巖石質量指標RDQ和巖體的完整性系數Kv，均是表征巖體完整程度的定量指標；

（3）結構面的間距、性狀及圍巖強度應力比。

工程區(qū)絕大部分圍巖為Ⅲ、Ⅳ類，且以Ⅲ類圍巖居多。工程區(qū)巖層近水平，勘探表明，深埋40m以下新鮮砂巖巖體裂隙不發(fā)育，巖體完整，堅硬巖，RQD一般大于80%，為Ⅱ類圍巖；Ⅴ類圍巖一般為淺表段全強風化泥巖及全風化砂巖。工程區(qū)以層狀結構巖體為主，總體上巖層單層厚度不大，最主要的結構面為層面，巖層近水平，對圍巖側壁洞室穩(wěn)定性影響不大，但對洞室頂拱圍巖穩(wěn)定性影響較大。洞室開挖后，拱腳和拱頂部位是最容易塌方變形的部位［2］。

表3 工程區(qū)地下洞室圍巖分類

5 洞室開挖有限元分析

5.1 洞室開挖的結構

本文以下電站導流洞的開挖過程為例，簡要分析工程區(qū)水平巖層開挖支護初期應力分布狀態(tài)。導流洞典型開挖斷面圖如圖1所示，洞徑5m×6m（寬×高）。開挖初期的支護方案是：采用系統(tǒng)錨桿掛鋼筋網加噴10cm厚C20混凝土，洞頂錨桿25cm，間距100cm，入巖270cm；洞壁錨桿25cm，間距100cm，入巖270cm。錨桿主要對洞室的圍巖松動圈進行錨固，防止垮落［3］。

5.2 分析范圍

隧洞開挖后，巖體的應力將重新分布，分為低應力區(qū)、高應力區(qū)和原始應力區(qū)，原始應力區(qū)巖體未受開挖影響，仍處于原始應力狀態(tài)［4］。本文選取三倍隧洞直徑的范圍為計算范圍，對單位長度洞室進行有限元計算。

5.3 計算單元劃分

根據隧洞所在位置的典型斷面的地層情況，如圖1所示劃分計算單元，進行平面應力應變分析。

圖1 洞室地質剖面圖

在劃分計算單元網格時，為減少計算的工作量，采用不均勻劃分的方法。計算范圍邊界附近以1m為間隔劃分計算單元，靠近隧道中心逐漸加密至0.5m為間隔劃分計算單元。模型節(jié)點數7195，單元總數4096，如圖2所示。

圖2 計算網格劃分圖

5.4 巖土體及混凝土計算參數

非錨固區(qū)砂巖、泥巖計算參數見表2，錨固區(qū)因為初期支護的系統(tǒng)錨桿，錨固體等效內聚力顯著增強，可用如下公式計算等效參數C′。［5］

式中，C′—錨固體等效內聚力；C—巖體內聚力；ΔC—錨固體等效內聚力；L—錨桿長度；R—隧洞直徑；φ—錨桿直徑；D—錨桿間距。

洞頂、洞壁錨固體計算參數見表4，噴混凝土計算參數見表5。

表4 錨固體等效計算參數C′

表5 C20混凝土計算參數表［6］

5.5 結果分析

本文采用摩爾—庫倫彈塑性模型作為巖體材料的本構模型，分四個步驟模擬開挖至初期支護完成，洞室的應力應變情況。

步驟一：原始應力狀態(tài)，因本區(qū)域沒有經受強烈的構造作用，巖層產狀近似水平，巖體的初始應力狀態(tài)十分接近由彈性理論所確定的應力狀態(tài)，用自重應力法計算得出［7］?？倯Ψ植紙D如圖3所示。

圖3 總應力分布圖

步驟二：洞室開挖完成，為了模擬圍巖應力釋放產生變形的過程，在計算過程中，因開挖而作用在拱部上的荷載按40%進行折減?？倯Ψ植紙D如圖4所示。

圖4 總應力分布圖

步驟三：為隧洞進行臨時支護，由于錨桿的作用，錨固體C′值見表3。噴混凝土初始強度按表4的10%進行折減，同時因開挖而作用在拱部上的荷載按70%進行折減?？倯Ψ植紙D如圖5所示。

圖5 總應力分布圖

圖6 總應力分布圖

步驟四：噴混凝土強度達到100%，因開挖而作用在拱部上的荷載達到100%。總應力分布圖如圖6所示，單位洞室長度軸向壓力圖如圖7，單位洞室長度彎矩圖如圖8所示，單位洞室長度剪力圖如圖9所示。

圖7 單位洞室長度軸向壓力分布圖（kN／m）

圖8 單位洞室長度彎矩分布圖（kNm／m）

圖9 單位洞室長度剪力分布圖（kN／m）

通過對比可以發(fā)現，計算邊界位置，應力與初始狀態(tài)變化不大，說明3倍洞徑的計算范圍選擇是合理的。

步驟四狀態(tài)下，內力分布極值見表6，各步驟z向位移和x向位移極值見表7。

表6 單位洞室長度內力分布極值

6 結論

通過計算，使用有限元方法模擬了洞室開挖施工，并進行初步支護的過程。洞室?guī)r體開挖后，通過逐步折減，因開挖而作用在拱部上的荷載，模擬了因洞室開挖，圍巖應力逐步釋放的過程。

（1）在洞室剛剛開挖完成時，洞室的頂拱和底板會產生較大應力集中，同時洞室變形量相對較大。此時應重點關注頂拱和底板的部位，一旦發(fā)現變形、掉塊等現象，要及時支護。在開挖過程中，可采取短進尺、弱爆破的方式開挖。［8］

（2）施加噴錨支護后，洞室變形速率減小，兩側邊墻底部出現應力集中。在施加永久支護之前，應格外關注兩側邊墻底部的變形情況，及時加強支護。

（3）工程區(qū)構造不發(fā)育，因此本文在計算分析的過程中，忽略了節(jié)理裂隙對于巖體的影響。

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