李 海 輪，李 剛，李 奇，王 川，冷 先 倫

(1.中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024； 2.沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870； 3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 4.中國科學院大學，北京 100049)

賦存于大型地下洞室群區(qū)域的斷層是圍巖開挖穩(wěn)定性的主要影響與控制因素之一[1-3]。為研究這些控制性斷層對圍巖穩(wěn)定的作用機理，諸多學者從理論、試驗、工程應用等多方面開展了系統(tǒng)全面的研究，取得了豐富的研究成果[4-7]。在理論分析方面：肖明等[8]考慮了大型地下洞室中復雜斷層網(wǎng)絡對圍巖穩(wěn)定的影響，提出了隱含斷層單元的數(shù)值模擬計算方法，可縮短隱含斷層網(wǎng)絡的地下洞室穩(wěn)定性分析周期；向天兵等[9]總結歸納了地下洞室圍巖分析方法、破壞模式和控制措施等方面研究成果，認為由于斷層出露位置巖體強度較低、結構松散，洞室開挖至斷層處無法自穩(wěn)，在重力作用下容易發(fā)生塌方等災害，并提出了相應的開挖和支護措施。在數(shù)值試驗與工程應用方面：黃達等[10]通過對比三峽工程地下廠房變形數(shù)值計算與監(jiān)測結果，表明斷層的存在嚴重惡化了圍巖的應力及變形分布情況，而且斷層在不同位置、不同自然應力場條件下對圍巖的應力及變形的影響存在著明顯的差異；劉鵬等[11]以湛江地下水封洞庫為依托，采用FLAC3D研究了斷層破碎帶對圍巖位移的位置效應和距離效應，認為斷層位置和距離對地下洞室高邊墻的穩(wěn)定性具有重要影響；王克忠等[12-13]以錦屏一級水電站地下洞群為依托研究了地下洞室斷層帶變形與破壞的力學機制，探討了柔性支護措施的作用機制及變形特征；李金河等[14-15]采用損傷彈塑性有限元數(shù)值方法對水電站在斷層錯動條件下圍巖的穩(wěn)定性進行分析，確定了洞室的合理開挖順序和支護參數(shù)。這些研究對透析斷層對地下洞室穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

本文以已有的分析方法和理論為依據(jù)，采用數(shù)值模擬的手段，針對河北豐寧一大型抽水蓄能電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定與襯砌開裂問題，開展施工過程的三維數(shù)值模擬分析。通過接觸面單元模擬2條控制性斷層，研究圍巖開挖應力、變形、塑性區(qū)和襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律及其與斷層的相互關系；通過強度校核方法，評價襯砌支護結構的加固效果，揭示控制性斷層對圍巖襯砌開裂的作用機理；最后，基于應力、變形、塑性區(qū)和襯砌破壞模式的研究，提出了抑制襯砌破壞的方法。

1 依托工程

該抽水蓄能水電站主要洞室(主廠房洞、主變洞和母線洞等)賦存于中粗?；◢弾r中，巖體中有十余條斷層，其中主要控制斷層2條，編號為f1和f2。圍巖類別以Ⅲ類為主，斷層出露部位為Ⅳ類。洞室上覆巖體厚度約320 m，巖體密度約為2.65 g/cm3。廠區(qū)最大主應力接近于水平，在洞室附近最大水平主應力值為12～18 MPa，與洞室軸線方向近似垂直；最小水平主應力值為7～11 MPa，與洞室軸線方向近似平行。

地下洞室分層開挖，開挖過程及主要的支護措施如圖1所示。主廠房洞和主變洞采用錨索、系統(tǒng)錨桿和噴射鋼纖維混凝土的聯(lián)合支護措施：錨索和系統(tǒng)錨桿在剖面內(nèi)的埋設情況如圖2所示，在垂直于剖面方向錨桿的埋設間距為1.5 m，錨索的埋設間距為4.5 m；主廠房洞、主變洞和母線洞均噴射200 mm厚C30鋼纖維混凝土。

圖1 開挖順序與支護措施示意(尺寸單位：m)Fig.1 Excavation sequence and supporting measures

圖2 襯砌局部空鼓、開裂照片F(xiàn)ig.2 Local failures of hollowing and cracking on the liners

施工過程中地下洞室斷層附近襯砌出現(xiàn)局部空鼓、開裂以及變形較大問題，如圖2所示。為研究圍巖出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，在分析地質(zhì)條件的基礎上，選取f1和f2兩條控制性斷層與地下廠房切割區(qū)域建立局部三維數(shù)值模型，斷層與洞室相互的位置關系如圖3所示。

圖3 斷層與洞室的空間位置關系Fig.3 Spatial relationship between the faults and the caverns

2 分析方法與材料參數(shù)

2.1 分析方法

采用FLAC3D商業(yè)軟件開展相關的數(shù)值分析，其中巖體采用實體單元模擬，巖體的本構模型采用帶抗拉強度的摩爾-庫倫模型；錨桿和錨索分別采用桿單元和索單元模擬，襯砌(噴射混凝土層)采用殼單元進行模擬，錨桿、錨索和襯砌均采用帶抗拉/抗壓極限的線彈性本構模型。此外，為了考慮斷層的滑動對圍巖穩(wěn)定性的影響，在斷層和巖體的接觸部位設置接觸面(采用接觸面單元進行模擬)，即允許斷層與周圍巖體之間發(fā)生相對滑動。

為了研究斷層對圍巖襯砌的影響，將計算獲得的斷層附近的襯砌彎矩、剪力和軸力帶入襯砌強度校核公式進行襯砌承載力校核。當判斷襯砌上受力超過其極限承載力時，則認為襯砌材料發(fā)生破壞。襯砌承載力的計算方法為：將地下洞室襯砌沿軸線方向切割為多個寬度為單位1(1 m)的襯砌環(huán)(見圖4)，對于每個襯砌環(huán)，根據(jù)文獻[16-17]等可知彎矩-軸力的關系滿足公式(1)～(3)，剪力-軸力的關系滿足公式(4)～(6) 。

圖4 地下洞室襯砌強度計算示意Fig.4 Schematic diagram of the strength calculation of the liners

(1) 彎矩-軸力關系。

壓縮破壞時的軸力：

(1)

拉伸破壞時的軸力：

(2)

極限彎矩：

(3)

(2) 剪力-軸力關系。

拉伸破壞時的軸力：

(4)

壓縮破壞時的軸力：

(5)

極限剪力：

(6)

式中：FS為穩(wěn)定系數(shù)，在此選用FS=1；A為截面面積，t為截面厚度，I為截面慣性矩；σc和σt分別為襯砌材料的壓縮強度和拉伸強度?；谝陨瞎?，可繪制出襯砌彎矩-軸力、剪力-軸力的承載力包絡線圖。在此基礎上，將數(shù)值計算獲得的襯砌彎矩、剪力和軸力對應的點畫入圖中，可方便和直觀地對襯砌結構的安全性進行評價[16-17]。

2.2 材料參數(shù)

分析采用的巖體力學參數(shù)如表1所示。斷層與圍巖接觸面的屈服準則采用摩爾-庫倫滑動準則，接觸面的等效參數(shù)如表2所示。錨索、錨桿和襯砌均采用帶抗拉或抗壓強度的線彈性模型，其力學參數(shù)如表3所示。

表1 巖體力學參數(shù)取值Tab.1 Parameters of the rock masses

表2 斷層與圍巖接觸面參數(shù)取值Tab.2 Parameters of the interfaces of the faults

表3 支護結構參數(shù)取值Tab.3 Parameters of the supporting structures

3 計算結果與分析

3.1 圍巖應力重分布

洞室開挖過程中的應力重分布是導致圍巖變形、支護結構破壞的主要原因之一。以往的研究結果表明，洞室開挖卸荷后，洞周大主應力增大，小主應力降低，而在洞室的缺陷處(如塊體脫落、斷層處)大主應力和小主應力均有不連續(xù)的現(xiàn)象。以小主應力為例說明含斷層的地下洞室在開挖擾動下圍巖應力重分布規(guī)律，如圖5所示。由圖5可知：① 從洞周的應力分布規(guī)律來看，開挖擾動后，洞周的小主應力降低(即卸荷)，其中高邊墻處應力變化幅度最大、影響范圍最深，洞室頂拱處應力變化范圍最小、影響范圍最淺；② 由于斷層的切割，使得在斷層處的圍巖應力有較大突變，特別是在斷層與洞室交叉口處的小主應力不連續(xù)(增大)現(xiàn)象較為明顯；③ 在不同的開挖步中，斷層應力突變量值有較大的差異，如在第一步開挖時斷層f2在母線洞處應力突變量值高達10 MPa(見圖5(a))，而在開挖完成后該部位應力突變量值則降低至4.5 MPa(見圖5(f))。

圖5 隨開挖進展圍巖應力重分布(以小主應力為例)Fig.5 Variation of stress redistribution of the rock masses with excavation process(taking the small principal stresses as examples)

3.2 圍巖變形特征

圍巖變形是圍巖穩(wěn)定性的最直接表現(xiàn)。圖6為在斷層作用下的地下洞室圍巖開挖的位移分布云圖。由圖可知：主廠房、主變洞和母線洞開挖過程中，圍巖的變形形態(tài)整體上表現(xiàn)為向臨空面變形的趨勢；在開挖初期，洞室的變形主要為頂拱下沉和底板回彈，如圖6(a)～(c)所示；在開挖的后期，洞室的變形主要為高邊墻近似垂直于墻面向洞內(nèi)變形，且變形幅值逐步超過頂拱和底板的變形，如圖6(d)～(f)所示。位于洞室頂部的斷層f1由于未直接與洞室相交，對洞室變形的影響較小。與洞室相交的斷層f2對洞室的變形影響較大，例如在主廠房洞上游，斷層f2為反傾，主要影響了主廠房洞開挖的回彈變形，使上游邊墻上盤巖體的豎向變形增加而下盤巖體的回彈變形減??；而在主廠房洞下游，斷層f2為順傾，上盤巖體沿斷層向臨空面發(fā)生滑移，使得下游邊墻母線洞附近變形較大。

圖6 隨開挖進展圍巖變形特征Fig.6 Deformation characteristics of the rock masses with excavation process

3.3 圍巖塑性區(qū)分布

圍巖塑性區(qū)是地下洞室群開挖擾動的重要指標之一，對支護措施的設計與施工具有重要的指導意義。圖7為開挖過程中圍巖塑性區(qū)分布與演化規(guī)律圖。由圖7可知：① 主廠房洞和主變洞頂拱部位(第一步)開挖后，整個頂拱即形成向巖體內(nèi)延伸長度為3～4 m的塑性區(qū)，隨著洞室群的向下開挖塑性區(qū)基本無變化；② 受斷層f2的影響，開挖至第3步時在母線洞處呈現(xiàn)出由開挖面向巖體內(nèi)延伸的條帶狀塑性區(qū)，范圍主要集中在斷層f2附近3～4 m；③ 隨著母線洞的開挖，在主廠房洞下游邊墻和主變洞上游邊墻的巖體塑性區(qū)通過母線洞頂部的塑性區(qū)發(fā)生貫通，塑性區(qū)從開挖面向巖體內(nèi)延伸的范圍約為4～6 m，此時可以明顯看出斷層f2加劇了母線洞附近塑性區(qū)的發(fā)展；④ 開挖完成后，在主廠房洞和主變洞底板處塑性區(qū)范圍較其他區(qū)域大，向巖體內(nèi)延伸的范圍約為9～10 m。

圖7 隨開挖進展圍巖塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of the plastic zones of the rock masses with excavation process

3.4 襯砌內(nèi)力與變形

襯砌開裂是圍巖穩(wěn)定性變化的直觀展現(xiàn)。圖8為斷層f2與主廠房洞相交部位襯砌(噴射混凝土層)的變形規(guī)律。其中，斷層f2相對于上游邊墻為反傾(見圖8(a))，相對于下游邊墻為順傾(見圖8(b))。從圖8可以看出：與斷層相交處的襯砌變形明顯增大，特別是當斷層為順傾時，斷層上盤的巖體變形增大量值約為10 mm(見圖8(b))，增大幅度約25%，此時上盤巖體相對斷層發(fā)生了滑動。

圖8 斷層處襯砌變形(單位：mm)Fig.8 Liner deformations at the fault

采用2.1節(jié)襯砌承載力校核方法將斷層處襯砌單元的彎矩、剪力和軸力分別代入襯砌強度包絡線圖，如圖9所示。由圖9可知，斷層處的襯砌部分受力最大的單元位于強度包絡線以外，說明這部分單元發(fā)生屈服，對應于工程實際中斷層處襯砌開裂、壓碎等現(xiàn)象。從屈服類型來看，斷層處襯砌單元主要發(fā)生拉彎屈服(見圖9(a)和(c)中強度包絡線以外且軸力小于零的點)和拉剪屈服(見圖9(b)和(d)中強度包絡線以外且軸力小于零的點)，少數(shù)單元發(fā)生壓彎屈服(見圖9(a)和(c)中強度包絡線以外且軸力大于零的點)和壓剪屈服(見圖9(b)和(d)中強度包絡線以外且軸力大于零的點)。

圖9 斷層處襯砌強度包絡線與部分受力最大的單元的對比Fig.9 Comparisons between strength envelopes of liners at the faults and the elements of high stresses

將斷層處襯砌單元的屈服類型和斷層處圍巖應力、變形和塑性區(qū)的分布特征相結合，發(fā)現(xiàn)：洞室開挖后，由于斷層相對于圍巖發(fā)生滑動，引起斷層處圍巖應力集中、變形突變和塑性區(qū)加深，與圍巖緊密貼合的襯砌隨之發(fā)生錯動，引起襯砌局部主要發(fā)生拉彎屈服和拉剪屈服，少數(shù)發(fā)生壓彎屈服和壓剪屈服。

3.5 斷層處襯砌問題的對策

圍巖開挖卸荷后，圍巖應力重分布，斷層等巖體力學參數(shù)較弱部位發(fā)生應力突變，與巖體緊密相連的襯砌必然受到此應力突變的影響，使斷層處襯砌的內(nèi)力增大。同時，斷層部位巖體所受的約束相對較弱，斷層上下盤巖體易發(fā)生相對滑動，斷層處襯砌跟隨巖體被迫產(chǎn)生錯動變形，該變形使得斷層處襯砌處于拉剪和拉彎狀態(tài)。因此，為解決斷層處襯砌空鼓、開裂以及變形較大的問題，結合3.1～3.4節(jié)的研究結果，從減小斷層處巖體的應力突變、減小斷層處巖體的相對滑移變形和增強襯砌的強度3個方面提出如下解決方案。

(1) 減小斷層處巖體的應力突變。對于有顯著軟弱夾層的斷層，可采用灌漿的方式提高斷層軟弱夾層的強度，使得軟弱夾層的強度接近正常巖體的強度，從而減小斷層處巖體的應力突變量值。

(2) 增加斷層處錨索的強度和數(shù)量。錨索強度和數(shù)量的增加可使巖體的等效力學參數(shù)增加，即增強了斷層附近巖體的強度和剛度，從而使得斷層處巖體的變形減小，斷層處的襯砌變形也隨之減小。

(3) 增加斷層處襯砌的強度。地下洞室通常采用噴射鋼纖維混凝土層作為襯砌，而鋼纖維混凝土噴層在斷層處易發(fā)生以拉彎和拉剪為主、以壓彎和壓剪為輔的破壞，因此可采用鋼筋混凝土錨板作為斷層處的襯砌，以提高斷層處襯砌的抗拉、抗剪和抗壓強度，避免襯砌發(fā)生拉彎、拉剪、壓彎和壓剪破壞。

4 結 論

本文針對2條主要斷層，采用結構面單元和襯砌強度校核方法，研究了斷層與地下洞室群相交圍巖的變形、應力和塑性區(qū)變化規(guī)律及襯砌的破壞形態(tài)及其與圍巖受力間的關系，提出了抑制斷層處襯砌破壞的對策。結論如下：

(1) 在斷層與地下洞室群圍巖相交處，圍巖應力存在突變現(xiàn)象，特別是在斷層與洞室交叉口處的應力突變較為明顯，圍巖塑性區(qū)在斷層帶附近呈由開挖面向巖體內(nèi)延伸呈條帶狀，且隨著開挖的深入，在主廠房、主變洞、母線洞和斷層之間區(qū)域的圍巖塑性區(qū)具有貫通的趨勢。

(2) 斷層對洞室群圍巖的開挖回彈變形形態(tài)具有一定的影響，表現(xiàn)為上盤巖體的豎向變形增加，下盤巖體的回彈變形減小，在洞室的高邊墻處，順傾斷層的上盤巖體易沿斷層向臨空面發(fā)生滑移。

(3) 斷層相對于圍巖的滑動變形是導致襯砌產(chǎn)生裂縫的主要原因，在斷層與洞室群切割處圍巖襯砌是以拉彎和拉剪為主、壓彎和壓剪為輔的破壞形式，與工程中斷層處襯砌的空鼓、拉裂、壓碎、剪斷等破壞形態(tài)相對應。

(4) 對于斷層處襯砌空鼓、開裂以及變形較大等問題，可從3個方面予以解決，即：采用對斷層軟弱夾層注漿的方法減小斷層處巖體的應力突變，采用加強錨索強度和數(shù)量的方法減小斷層處巖體的相對滑移變形，采用鋼筋混凝土錨板提高斷層處襯砌的強度。