高 強(qiáng)

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行中。在大型水利水電、地下隧道工程施工過(guò)程中，地下洞室的開(kāi)挖向著地球深部不斷擴(kuò)展。然而地球深部地質(zhì)條件不同于淺部，深部巖石常處于“三高一擾動(dòng)”，即高地應(yīng)力、高滲透壓、高溫狀態(tài)，且容易遭受強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)。在上述復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境影響下，地下硐室深部圍巖經(jīng)常出現(xiàn)大變形和難支護(hù)的問(wèn)題[1]。本文針對(duì)正在施工中的某水電站地下主廠房，將圍巖納入到隧道支護(hù)體系，根據(jù)圍巖變形穩(wěn)定性來(lái)調(diào)整隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)[2-3]，通過(guò)數(shù)值模擬地下硐室開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖塑性區(qū)變化和斷面變形，利用收斂計(jì)監(jiān)測(cè)圍巖邊墻水平收斂和拱頂下沉，分析開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步的施工和設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，為今后相似地質(zhì)條件下的地下硐室圍巖支護(hù)提供一定的技術(shù)借鑒作用。

1 工程概況

該水電站地下主廠房布置于大壩左壩肩壩軸線上游，廠房縱軸線方向?yàn)镹10°W，主廠房最小水平埋深約400 m，垂直埋深約320～500 m。隧道圍巖以不規(guī)則巖株?duì)钋秩氲难嗌皆缙谒瓢郀詈谠苹◢弾r為主，隧道圍巖等級(jí)劃分為II、IIIa級(jí)。主廠房頂拱跨度28.30 m，在開(kāi)挖施工過(guò)程中存在高地應(yīng)力巖爆、大跨度頂拱、高邊墻變形等安全風(fēng)險(xiǎn)，洞室施工過(guò)程中在巖壁左右拱角和底角出現(xiàn)聲音、開(kāi)裂、掉塊、巖面松弛、混凝土剝落、鼓脹等巖爆現(xiàn)象，給洞室施工作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備帶來(lái)重大安全隱患。為優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，保證施工期安全，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，本工程通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)主廠房預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)模擬及現(xiàn)場(chǎng)圍巖收斂變形分析。

2 隧道圍巖變形數(shù)值模擬

根據(jù)《水工建筑物地下工程開(kāi)挖施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5099-2011)等相關(guān)規(guī)范要求，針對(duì)該水電站主廠房硐室圍巖所處的工程地質(zhì)條件、主廠房開(kāi)挖施工工序設(shè)計(jì)以及隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，擬采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬主廠房開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中硐室圍巖塑性區(qū)變化和斷面變形情況[4-6]。

2.1 模型建立

根據(jù)主廠房硐室圍巖工程地質(zhì)條件，考慮到II、IIIa類圍巖結(jié)構(gòu)的巖石力學(xué)特性，數(shù)值模擬采用摩爾-庫(kù)倫模型對(duì)巖石的破壞進(jìn)行計(jì)算，模型兩側(cè)為側(cè)向邊界，分別限制法向速度，下部邊界則限制法向和水平速度，上部邊界施加等效上覆巖石自重應(yīng)力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地應(yīng)力情況，上部邊界施加8 MPa等效法向壓力，側(cè)壓力系數(shù)設(shè)置為1，圍巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

隧道開(kāi)挖后，未支護(hù)前總應(yīng)力云圖分布情況見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，當(dāng)主廠房開(kāi)挖完成后，在隧道拱肩及拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析認(rèn)為，當(dāng)主廠房經(jīng)過(guò)開(kāi)挖，硐室圍巖遭受卸荷損傷，頂拱和隧道底板出現(xiàn)明顯下沉和上浮現(xiàn)象，在隧道左右邊墻則出現(xiàn)水平位移。由于上述部位有明顯位移產(chǎn)生，圍巖應(yīng)力得以釋放，在圖1中可以看出頂拱、底板和左右邊墻應(yīng)力較小[7-10]。

圖1 主廠房開(kāi)挖后總應(yīng)力分布情況

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 高地應(yīng)力作用下隧道圍巖變形

首先通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬主廠房開(kāi)挖后未施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)前的情況，隧洞圍巖將經(jīng)歷應(yīng)力集中，產(chǎn)生屈服破壞后，并最終形成塑性區(qū)，見(jiàn)圖2。從主廠房開(kāi)挖后的整體安全情況來(lái)看，拱肩和拱腳出現(xiàn)剪切破壞，拱肩處為最不穩(wěn)定的區(qū)域，其次是拱腳。這與工程概況中提到的在實(shí)際工程施工過(guò)程中，在巖壁左右拱角和底角出現(xiàn)聲音、開(kāi)裂、掉塊、巖面松弛、混凝土剝落、鼓脹等巖爆現(xiàn)象相吻合，說(shuō)明該模型能夠較好模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖應(yīng)力情況。

圖2 主廠房開(kāi)挖后塑性區(qū)分布

圖3為主廠房開(kāi)挖后Z方向位移和應(yīng)力云圖。由圖3(a)可以看出，豎向位移最大值出現(xiàn)在拱頂和隧道位置，具體為拱頂下沉1.699 6 mm，而隧道底板對(duì)工程實(shí)際影響不大，故忽略其變化量。在圖3(b)中，豎向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道拱腳及拱肩部位，在拱頂及底板位置，由于產(chǎn)生位移，應(yīng)力得以釋放，所以拱頂及底板中心位置的應(yīng)力最小。

圖3 主廠房開(kāi)挖后支護(hù)前Z方向應(yīng)力和位移云圖

圖4為主廠房開(kāi)挖后X方向應(yīng)力和位移云圖，水平向位移最大值出現(xiàn)在左右拱邊墻中心位置，由于左右邊墻應(yīng)力對(duì)稱分布，故僅對(duì)任意一處邊墻水平位移進(jìn)行分析即可，本文以左邊墻中心位置水平位移進(jìn)行分析。由圖4(a)可以看出，左邊墻中心位置水平位移最大值為0.61 mm。在圖4(b)中，水平向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道拱頂及拱腳部位，在拱邊墻中心位置，由于左右拱邊墻水平向位移產(chǎn)生，應(yīng)力得以釋放，所以拱邊墻中心位置的應(yīng)力最小。隨著時(shí)間推移和爆破開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響，主廠房左右邊墻水平收斂及拱頂下沉將會(huì)進(jìn)一步加劇。

圖4 主廠房開(kāi)挖后X方向應(yīng)力和位移云圖

2.2.2 施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后主廠房變形分析

圖5為施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后主廠房塑性區(qū)分布圖。由圖5可以看出，支護(hù)后塑性區(qū)與支護(hù)前主廠房塑性區(qū)相比范圍明顯縮小，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)可以有效改善主廠房硐室圍巖的受力情況，使硐室圍巖的塑性區(qū)發(fā)展得到有效控制，一定程度上改善了周邊巖體的承載條件。

圖5 主廠房施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后塑性區(qū)分布

通過(guò)在主廠房洞口頂拱及左邊墻中心位置布置位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確記錄施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)前后上述兩處位置的位移和應(yīng)力變化情況，并有效推測(cè)主廠房頂拱下沉及邊墻水平收斂情況,從而優(yōu)化設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)，保證施工安全并在一定程度上優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益。由主廠房支護(hù)后Z方向位移和應(yīng)力云圖(圖6)可以看出，豎向位移最大值仍出現(xiàn)在拱頂位置，并由之前的1.699 6 mm降低為現(xiàn)在的1.694 0 mm；而在圖6(b)中，拱頂處豎向應(yīng)力由支護(hù)前的0.220 9 MPa增加為0.221 3 MPa，說(shuō)明施加預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效限制主廠房拱頂下沉，同時(shí)并改善了圍巖受力條件。

圖6 主廠房支護(hù)后Z方向位移和應(yīng)力云圖

通過(guò)主廠房支護(hù)后左邊墻X方向位移和應(yīng)力云圖(圖7)可以看出，水平向位移最大值仍出現(xiàn)在左邊墻中心位置，但由支護(hù)前的0.609 2 mm降低為支護(hù)后的0.603 1 mm；而在圖7(b)中，左邊墻水平方向應(yīng)力由支護(hù)前的0.220 9 MPa增加為0.221 3 MPa，說(shuō)明施加預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效限制左邊墻收斂變形，同時(shí)改善了圍巖受力條件。

圖7 主廠房支護(hù)后X方向位移和應(yīng)力云圖

2.2.3 支護(hù)前后主廠房圍巖變形模擬對(duì)比

表2為支護(hù)前后所記錄的頂拱及左邊墻中心位置位移數(shù)值。通過(guò)圖6、圖7和表2進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，施加預(yù)應(yīng)力錨桿可提供隧道圍巖支護(hù)阻力，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，調(diào)節(jié)圍巖變形，能夠有效控制允許圍巖塑性區(qū)的適度發(fā)展，發(fā)揮圍巖的自承能力。

表2 主廠房支護(hù)前后頂拱及邊墻最大位移變化情況

通過(guò)對(duì)地下隧洞采取預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，使錨桿具備一定的預(yù)應(yīng)力，能夠在地下硐室圍巖中產(chǎn)生一定范圍的附加預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，使硐室圍巖在變形前就重新恢復(fù)到三向受力狀態(tài)，形成具有一定厚度的承壓拱，從而使硐室圍巖的承載能力得到進(jìn)一步提高[4-6]。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，錨噴支護(hù)提供的柔性支護(hù)將圍巖本身作為承載主體，發(fā)揮了圍巖的自承能力，從而達(dá)到圍巖支護(hù)體系的聯(lián)合承載效果。

3 主廠房圍巖收斂變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)概況及原理

為保障施工期的工程安全和施工安全，對(duì)隧道斷面變形進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。依據(jù)《水利水電工程施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5308-2013)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，選取地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀測(cè)、隧道拱頂下沉及隧道水平收斂量測(cè)作為必測(cè)項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表3。當(dāng)變形超過(guò)管理位移時(shí)，則應(yīng)及時(shí)上報(bào)監(jiān)理中心，聯(lián)合各相關(guān)單位共同制定處理措施，防止應(yīng)變形過(guò)大而造成安全事故的發(fā)生。

表3 隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法

根據(jù)主廠房所處地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力并結(jié)合施工方法、支護(hù)形式及圍巖的時(shí)間和空間效應(yīng)等因素，決定選取主廠房(廠橫)0+020、0+050、0+080共3個(gè)樁號(hào)作為水平收斂觀測(cè)斷面，儀器設(shè)備采用高精度水準(zhǔn)儀及標(biāo)尺或數(shù)顯式收斂?jī)x，監(jiān)測(cè)精度為0.01 mm。主廠房開(kāi)挖水平收斂及拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖8。

圖8 主廠房開(kāi)挖水平收斂及拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置圖

監(jiān)測(cè)注意事項(xiàng):①拱頂下沉監(jiān)測(cè)采用高精度水準(zhǔn)儀及其標(biāo)尺；水平收斂量測(cè)采用數(shù)顯式收斂?jī)x；②在施工初期監(jiān)測(cè)階段，或地質(zhì)條件較差或變形量及速率較大時(shí)，適當(dāng)增加量測(cè)斷面及量測(cè)頻率；③測(cè)點(diǎn)設(shè)置應(yīng)可靠，并應(yīng)妥善保護(hù)，測(cè)量?jī)x器使用前應(yīng)嚴(yán)格標(biāo)定；④各測(cè)量項(xiàng)目應(yīng)盡可能布置在同一斷面，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡可能選擇具有代表性的地方，以便測(cè)量數(shù)據(jù)的分析及為以后的工作提供經(jīng)驗(yàn)[11-14]。

3.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.2.1 水平收斂

邊墻水平收斂變形是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映。結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，根據(jù)主廠房(廠橫)0+020、0+050、0+080共3個(gè)樁號(hào)水平收斂觀測(cè)斷面，分別計(jì)算2020年6月2日至7月27日共計(jì)8周56天的水平收斂變化情況，整理分析這段時(shí)間內(nèi)收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其現(xiàn)場(chǎng)資料，繪制周邊收斂時(shí)程曲線，見(jiàn)圖9。圖9中，正值表示周邊收斂，負(fù)值表示周邊擴(kuò)張。

圖9 水平收斂歷史曲線

對(duì)周邊收斂時(shí)程曲線(圖9)進(jìn)行分析，將其分為“初始變化-緩慢變化-急劇變化-趨于平穩(wěn)”4個(gè)階段，對(duì)應(yīng)圖9中A、B、C、D共4個(gè)分段。隧道初期開(kāi)挖支護(hù)完成后，在2020年6月2-8日期間，主廠房左右邊墻位移變化量較大，趨勢(shì)見(jiàn)圖9中A分段所示。經(jīng)歷一周左右時(shí)間后，在6月8-14日期間，左右邊墻位移出現(xiàn)緩慢增加階段，具體變化見(jiàn)圖9中B分段所示。6月14日，主廠房開(kāi)始進(jìn)行中部拉槽和邊墻擴(kuò)挖，后續(xù)數(shù)周主廠房經(jīng)歷數(shù)次開(kāi)挖爆破影響，此時(shí)左右邊墻位移出現(xiàn)圖9中C段所示變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為，連續(xù)數(shù)周的高頻次爆破開(kāi)挖致使其周邊圍巖局部應(yīng)力集中，打破原有的應(yīng)力平衡應(yīng)力狀態(tài)，頂拱及左右邊墻初期支護(hù)的混凝土出現(xiàn)小的開(kāi)裂及部分剝落，鋼拱架、鋼筋網(wǎng)及連接筋外露，并有不同程度的彎曲、扭曲變形。開(kāi)挖爆破完成后，施工項(xiàng)目部針對(duì)以上監(jiān)測(cè)反饋的數(shù)據(jù)，及時(shí)采取錨噴加固措施。進(jìn)入7月14日后，收斂變形趨于平穩(wěn)，變化見(jiàn)圖9中D分段所示。

3.2.2 頂拱下沉

通過(guò)K0+020和K0+080兩斷面測(cè)點(diǎn)頂拱下沉歷史曲線(圖10)進(jìn)行分析研判，同樣可以將其分為“初始變化-緩慢變化-急劇變化-趨于平穩(wěn)”A、B、C、D共4個(gè)階段。其中，主廠房(廠橫)K0+020樁號(hào)屬于IIIa類圍巖，開(kāi)挖及初期支護(hù)完成后，拱頂下沉速率較大；錨噴支護(hù)約3周后下沉速率減小，下沉趨勢(shì)變緩。隨著6月底開(kāi)始進(jìn)入汛期，降雨量逐漸增加，地表水沿著山體裂隙滲透到隧道內(nèi)，致使隧道內(nèi)涌水增加，拱頂下沉速率驟然增加，部分拱頂下沉導(dǎo)致初期支護(hù)的混凝土脫落掉塊。針對(duì)以上情況，進(jìn)行混凝土補(bǔ)噴，下沉速率減小，變形量得到控制，此后約一周后基本達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)于K0+080樁號(hào)所屬的II類圍巖變形，初期支護(hù)完成30 d后，拱頂下沉速率有增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為與IIIa類相似的變化趨勢(shì)，分析認(rèn)為隧道內(nèi)涌水量的增加加速了拱頂圍巖的下沉。

圖10 頂拱下沉歷史曲線

4 結(jié) 論

本文針對(duì)某水電站主廠房現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和具體施工情況，通過(guò)應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬主廠房地下硐室圍巖施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)前后圍巖變形，以及運(yùn)用收斂測(cè)量?jī)x等儀器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形進(jìn)行量測(cè)，獲得如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬地下硐室圍巖施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)前后圍巖塑性區(qū)變化及硐室斷面變形情況，可以有針對(duì)性地提出圍巖支護(hù)的工程優(yōu)化措施建議。

2) 隧道錨噴支護(hù)可以最大限度地緊跟開(kāi)挖工作面施工，最大限度地利用圍巖自承能力，可以限制圍巖進(jìn)一步變形收斂，阻止圍巖進(jìn)入松弛狀態(tài)。

3) 隧道錨噴支護(hù)應(yīng)及時(shí)迅速，甚至在開(kāi)挖前進(jìn)行超前支護(hù)，運(yùn)用噴射混凝土的早強(qiáng)和全面密貼性能，可以保證隧道圍巖支護(hù)的及時(shí)性和有效性，達(dá)到圍巖支護(hù)體系的聯(lián)合承載效果。

4) 隧道開(kāi)挖完成后，周邊收斂和拱頂下沉量都呈現(xiàn) “初始變化-緩慢變化-急劇變化-趨于平穩(wěn)”4個(gè)階段，但是急劇變化階段卻發(fā)生在不同時(shí)間段內(nèi)。分析認(rèn)為，周邊收斂有急劇變化的趨勢(shì)其原因是高頻次的爆破開(kāi)挖影響，拱頂下沉有急劇變化的趨勢(shì)其原因是隧道內(nèi)涌水量的增加。