袁平順, 王 圣

(中國水利水電第七工程局有限公司第二分局， 四川成都 610000)

1 大型地下洞室施工圍巖力學(xué)行為與控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

大型地下洞室的巖體力學(xué)分析主要通過剖析巖層巖體結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)等問題，研究地下洞室上覆巖體變形破壞機(jī)理，明確影響圍巖穩(wěn)定性的各個(gè)原因，得出結(jié)構(gòu)在上部荷載作用下的變形破壞規(guī)律，為隧道變形機(jī)理提供論證并給相同背景下的工程提供相應(yīng)的指導(dǎo)。近年來大量國內(nèi)外學(xué)者利用力學(xué)分析、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬模擬，總結(jié)了隧道圍巖變形破壞規(guī)律，探索了不同條件下圍巖穩(wěn)定性問題。許興亮，張農(nóng)等[1]利用關(guān)鍵層理論推導(dǎo)出圍巖關(guān)鍵巖梁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖層的破壞不會(huì)影響到關(guān)鍵巖梁結(jié)構(gòu)時(shí)，關(guān)鍵層可以提供更大支反力來應(yīng)對(duì)巖梁結(jié)構(gòu)的變形。鐘新樵[2]針對(duì)偏壓隧道，通過隧道不同開挖方式對(duì)比試驗(yàn)，研究了偏壓隧道在不同條件下變形破壞的發(fā)展過程；王戍平[3]選用特定的河沙作為模型試驗(yàn)材料，試驗(yàn)研究了破碎圍巖在地下水作用下襯砌的受力情況及圍巖的變形破壞過程；汪成兵[4]通過分析大量隧道塌方實(shí)例，設(shè)計(jì)了圍巖漸進(jìn)性破壞試驗(yàn)方案，重點(diǎn)研究了隧道斷面、埋深、圍巖強(qiáng)度等指標(biāo)對(duì)圍巖破壞機(jī)理的影響，總結(jié)了不同塌方類型的漸進(jìn)性發(fā)展、破壞過程，并記錄了隧道塌方過程中圍巖應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)變化規(guī)律；粟偉[5]采用底摩擦物理模擬試驗(yàn)，選取隧道典型破壞斷面進(jìn)行研究，再現(xiàn)了隧道塌方過程，總結(jié)了圍巖變形破壞規(guī)律。數(shù)值分析也是分析大型地下洞室施工圍巖力學(xué)行為的常用方法，Sloan[6]利用有限單元法，分析了土質(zhì)方形隧道的穩(wěn)定性問題；Singh[7]運(yùn)用有限元數(shù)值模擬，研究了煤柱間頂板穩(wěn)定性問題。

在地下洞室施工過程中，由于工程條件的復(fù)雜性，常常發(fā)生施工安全事故。為了保證施工安全及隧道投入運(yùn)營(yíng)后的安全，在施工過程中對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的，通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)控量測(cè)及時(shí)掌握圍巖和支護(hù)在施工中的力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定程度，為評(píng)價(jià)和修改初期支護(hù)參數(shù)、力學(xué)分析及支護(hù)施作時(shí)間提供依據(jù)。楊紅軍[8]根據(jù)Panet、Gaudin、Sulem的研究成果[9-11]，利用半解析計(jì)算方法，考慮了隧道周邊收斂和拱頂下沉隨時(shí)間和掌子面推進(jìn)距離的變化情況，建立了相關(guān)的收斂模型，并由此給出了硬巖及軟巖隧道中二襯的合理支護(hù)時(shí)機(jī)。袁厚海、龍煥林[12]在已有研究成果和大量實(shí)測(cè)資料分析處理的基礎(chǔ)上，采用基于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜數(shù)據(jù)推導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值，給岀了較準(zhǔn)確的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩預(yù)測(cè)方法，并通過隧道工程實(shí)例驗(yàn)證。

2 工程概況

楊房溝水電站為國內(nèi)首個(gè)百萬千瓦級(jí)大型地下廠房和百米級(jí)高壩整體EPC水電項(xiàng)目，位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上(部分工程區(qū)域位于甘孜州九龍縣境內(nèi))，是雅礱江中游河段一庫七級(jí)開發(fā)的第六級(jí)，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。電站總裝機(jī)容量1 500 MW，安裝4臺(tái)375 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。引水發(fā)電系統(tǒng)采用“岸塔式進(jìn)水口”、“單機(jī)單管引水”、“兩機(jī)一室一洞” 尾水出水方式。在壩址左岸山體不到0.5 km2的區(qū)域內(nèi)、高度約400 m巖體中，共布置了體型各異、大小不等的近40條洞室，累計(jì)總長(zhǎng)度超過10 km。這些洞室縱橫交錯(cuò)、平、斜、豎相貫，組成復(fù)雜的大型地下洞室群，其中楊房溝水電站左岸廠區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力最大值為15.52 MPa，地應(yīng)力回歸分析顯示最大主應(yīng)力σ1在12～14 MPa之間，屬中等地應(yīng)力水平條件。其三維空間展布見圖1所示。

圖1 楊房溝水電站引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群三維圖

3 大型地下空間開挖圍巖與結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

在中(高)地應(yīng)力硬巖條件下水電站地下洞室開挖中，典型的片幫破壞(Spalling)現(xiàn)象一般比較常見，本質(zhì)上是低圍壓條件下原生裂隙或微裂隙平行于開挖面擴(kuò)展導(dǎo)致的宏觀破壞模式，屬于張性破壞。針對(duì)開挖過程中潛在的高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)巖石工程界廣泛采用的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，脆性巖石在應(yīng)力集中水平達(dá)0.3～0.4倍單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，即進(jìn)入了微裂隙萌生擴(kuò)展的階段，并定義為巖石的啟裂強(qiáng)度。具體在楊房溝地下廠房洞室群開挖中，根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)，可將洞室開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力集中達(dá)到24 MPa作為初步判定發(fā)生圍巖破裂或應(yīng)力型破壞(片幫)的閾值，即：當(dāng)洞室開挖導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力集中程度大于24 MPa時(shí)，該部位淺層圍巖將存在應(yīng)力型破壞風(fēng)險(xiǎn)。楊房溝地下廠房開挖頂拱圍巖應(yīng)力集中程度在20～26 MPa，基本達(dá)到圍巖破裂或應(yīng)力性破壞的閾值；當(dāng)圍巖應(yīng)力集中程度低于24 MPa時(shí)，應(yīng)力型破壞風(fēng)險(xiǎn)很小；洞室開挖后的應(yīng)力集中程度越高，該部位圍巖發(fā)生應(yīng)力性破壞的程度也將越強(qiáng)。以上楊房溝地下廠房洞室?guī)r體(花崗閃長(zhǎng)巖)應(yīng)力性片幫破壞經(jīng)驗(yàn)判據(jù)的擬定，可為后續(xù)制定和優(yōu)化洞室開挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案，在一定程度上限制圍巖的應(yīng)力性片幫破壞提供參考依據(jù)。三大洞室中導(dǎo)洞開挖應(yīng)力分布特征如圖2所示。

圖2 三大洞室中導(dǎo)洞開挖應(yīng)力分布特征

地下廠房洞室群中導(dǎo)洞開挖過程中出現(xiàn)的應(yīng)力型破壞特征論證了前期對(duì)廠區(qū)初始地應(yīng)力特征判斷的準(zhǔn)確性。在廠房洞室群第I層中導(dǎo)洞開挖和擴(kuò)挖階段，針對(duì)不同圍巖條件、不同洞室中的應(yīng)力性片幫破壞出現(xiàn)的位置、程度等特征及其差異性開展了跟蹤統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，片幫破壞發(fā)生部位與頂拱應(yīng)力集中區(qū)相對(duì)應(yīng)，破壞程度較輕微，發(fā)展深度多在數(shù)厘米深度，一般小于20 cm，其中主廠房和主變室頂拱的應(yīng)力性破壞分布范圍和程度上基本相當(dāng)，尾調(diào)室頂拱的應(yīng)力性破壞問題相對(duì)不明顯。對(duì)比圖中的數(shù)值分析成果，可知三大洞室中導(dǎo)洞應(yīng)力集中特征(圍巖應(yīng)力集中部位、應(yīng)力集中程度等)與現(xiàn)場(chǎng)片幫破壞位置、程度二者具有一致性。廠房洞室群中導(dǎo)洞開挖頂拱應(yīng)力性破壞分布特征如圖3所示。

圖3 廠房洞室群中導(dǎo)洞開挖頂拱應(yīng)力性破壞分布特征

對(duì)比圖中的數(shù)值分析成果，可知三大洞室中導(dǎo)洞應(yīng)力集中特征(圍巖應(yīng)力集中部位、應(yīng)力集中程度等)與現(xiàn)場(chǎng)片幫破壞位置、程度二者具有一致性。

三大洞室第I層開挖完成后應(yīng)力分布特征如圖4所示。

圖4 三大洞室第I層開挖完成后應(yīng)力分布特征

中導(dǎo)洞擴(kuò)挖引起圍巖應(yīng)力重分布。擴(kuò)挖后，頂拱體型平順化，整體受力更為均勻，拱效應(yīng)開始顯現(xiàn)。頂拱應(yīng)力集中區(qū)仍位于上游側(cè)拱肩部位，但應(yīng)力集中程度較中導(dǎo)洞開挖時(shí)有所減弱，應(yīng)力集中程度普遍低于24 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖施工情況，三大洞室第I層中導(dǎo)洞擴(kuò)挖過程中頂拱部位均未發(fā)生明顯的應(yīng)力型片幫破壞現(xiàn)象，相比中導(dǎo)洞開挖的圍巖高應(yīng)力破壞問題要減弱很多。

中導(dǎo)洞擴(kuò)挖后，兩側(cè)拱腳部位出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，量值可達(dá)到20～24 MPa。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖過程中也可以看到應(yīng)力集中導(dǎo)致兩側(cè)拱腳的巖體出現(xiàn)一些輕微的破裂和松弛?？紤]到兩側(cè)拱腳(座)是洞室頂拱發(fā)揮拱效應(yīng)的關(guān)鍵承載部位之一，因此，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)這些位置提出了及時(shí)施作系統(tǒng)支護(hù)的要求。

地下洞室群開挖完成后應(yīng)力分布特征如圖5所示。

圖5 地下洞室群開挖完成后應(yīng)力分布特征

如圖5所示，主副廠房和尾調(diào)室頂拱圍巖在洞室下臥開挖影響下應(yīng)力集中程度相對(duì)第I層開挖階段有所增加，應(yīng)力集中區(qū)的范圍也有所擴(kuò)大，應(yīng)力集中區(qū)位于上游側(cè)拱肩—頂拱部位，量值可達(dá)到22～26 MPa。

上述數(shù)值分析結(jié)果顯示，楊房溝地下廠房洞室群在下臥開挖過程中，雖然會(huì)導(dǎo)致主副廠房和尾調(diào)室上游側(cè)拱肩～頂拱圍巖的應(yīng)力集中范圍和程度有所加強(qiáng)，但總體應(yīng)力量值水平不高，在現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度情況下(頂拱系統(tǒng)支護(hù)主要包括初噴、施作系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)復(fù)噴混凝土，其中針對(duì)頂拱應(yīng)力集中區(qū)部分錨桿要求帶墊板并緊貼圍巖，并在拱肩部位采用了系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿，局部洞段也進(jìn)行了針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù))，頂拱出現(xiàn)普遍性應(yīng)力破壞問題的風(fēng)險(xiǎn)較小。上述分析結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致，洞室開挖過程中未見明顯的頂拱圍巖應(yīng)力性破壞現(xiàn)象，其中主廠房、主變洞和尾調(diào)室頂拱僅陸續(xù)出現(xiàn)了幾次局部噴層開裂掉塊現(xiàn)象，但均未見鋼筋網(wǎng)，三大洞室中主廠房頂拱噴層開裂掉塊現(xiàn)象頻次相對(duì)偏高。

綜合同類工程經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)全過程跟蹤調(diào)查和數(shù)值分析手段等，可知，現(xiàn)場(chǎng)各洞室第一層中導(dǎo)洞開挖、擴(kuò)挖及后續(xù)下臥開挖階段的圍巖或噴層應(yīng)力型破壞情況(應(yīng)力性破壞分布范圍和程度)與數(shù)值分析成果基本具有一致性，說明了上述對(duì)地下洞室群初始地應(yīng)力場(chǎng)、巖體強(qiáng)度等基礎(chǔ)性資料的認(rèn)識(shí)是基本準(zhǔn)確的，擬定的圍巖應(yīng)力型破壞判據(jù)也具有一定的適用性。

4 控制技術(shù)

楊房溝水電站三大洞室布置形式及巖體結(jié)構(gòu)特征均相對(duì)不利，三大洞室開挖完成后，群洞效應(yīng)顯現(xiàn)，高邊墻部位圍巖開挖卸荷變形響應(yīng)相對(duì)明顯。類比同類工程經(jīng)驗(yàn)，地下洞室群圍巖累計(jì)變形量總體不大，圍巖開挖二次應(yīng)力水平屬中等，圍巖的塑性屈服區(qū)深度整體可控，主要洞室之間的巖柱塑性屈服區(qū)均未見貫通，支護(hù)整體受力基本在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，地下洞室群圍巖處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，各洞室開挖施工過程中均存在一些局部工程問題，現(xiàn)場(chǎng)通過開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)反饋分析工作，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化開挖支護(hù)方案，或采取針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)加固措施，有效提升了洞室圍巖的整體和局部穩(wěn)定性。

楊房溝地下廠房洞室群第I層中導(dǎo)洞開挖時(shí)，開挖斷面近似矩形，由于傾向河谷側(cè)(上游側(cè))的地應(yīng)力場(chǎng)特征，使得在開挖斷面的上游側(cè)拐角處形成較明顯的應(yīng)力集中。受初始應(yīng)力水平影響，各洞室開挖后拱肩部位的應(yīng)力集中程度總體不高，基本在24 MPa左右，局部巖體存在發(fā)生應(yīng)力型破壞的風(fēng)險(xiǎn)，為避免開挖過程中所出現(xiàn)的“貓耳”型凹坑破壞，根據(jù)應(yīng)力集中程度和后續(xù)應(yīng)力調(diào)整情況，在地下洞室開挖前提出了如下建議：

(1)在開挖環(huán)節(jié)上，盡量避免上游側(cè)(臨江側(cè))半幅放置過久，前期擬定的施工方案是優(yōu)先開挖上游側(cè)半幅，這種開挖方案是合理的。

(2)建議適當(dāng)加強(qiáng)上游側(cè)拱肩應(yīng)力集中部位的支護(hù)強(qiáng)度，可以考慮增加(內(nèi)插)一排普通砂漿錨桿，其入巖角度可考慮盡量?jī)A向于臨江側(cè)，并將中導(dǎo)洞上游拱肩部分普通砂漿錨桿調(diào)整為帶墊板的普通砂漿錨桿，以便更好地控制上游側(cè)拱肩的片幫問題。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)各洞室第一層中導(dǎo)洞開挖、擴(kuò)挖及后續(xù)下臥開挖階段的圍巖或噴層應(yīng)力型破壞情況(應(yīng)力性破壞分布范圍和程度)與數(shù)值分析成果基本具有一致性，說明了上述對(duì)地下洞室群初始地應(yīng)力場(chǎng)、巖體強(qiáng)度等基礎(chǔ)性資料的認(rèn)識(shí)是基本準(zhǔn)確的，擬定的圍巖應(yīng)力型破壞判據(jù)也具有一定的適用性。

(2)不同圍巖條件、不同洞室中的應(yīng)力性片幫破壞出現(xiàn)的位置、程度等特征具有差異性，片幫破壞發(fā)生部位與頂拱應(yīng)力集中區(qū)相對(duì)應(yīng)，破壞程度較輕微，其中主廠房和主變室頂拱的應(yīng)力性破壞分布范圍和程度上基本相當(dāng)，尾調(diào)室頂拱的應(yīng)力性破壞問題相對(duì)不明顯。

(3)楊房溝廠房洞室群開挖規(guī)模巨大，三大洞室開挖完成后，群洞效應(yīng)顯現(xiàn)，高邊墻部位圍巖開挖卸荷變形響應(yīng)相對(duì)明顯。地下洞室群圍巖累計(jì)變形量總體不大，圍巖開挖二次應(yīng)力水平屬中等，圍巖的塑性屈服區(qū)深度整體可控，主要洞室之間的巖柱塑性屈服區(qū)均未見貫通，支護(hù)整體受力基本在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，地下洞室群圍巖處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。