王彥兵，張 強(qiáng)，郭銘群，劉永奇，王玉杰，劉立鵬

（1.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031）

1 研究背景

層狀巖體是地下工程建設(shè)中常見的一種巖體類型，因內(nèi)部發(fā)育有定向的成組層面，其變形和強(qiáng)度特性具有明顯的橫觀各向異性特征［1-2］。工程實(shí)踐表明，地下洞室開挖后，受應(yīng)力釋放和調(diào)整的影響，層狀巖體普遍會(huì)出現(xiàn)松弛變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為巖層面的張開和滑移等變形破壞特征，而且受巖層產(chǎn)狀的影響，層狀巖體的松弛變形特性具有顯著的非對(duì)稱性［3-4］。因此，研究層狀巖體地下洞室圍巖松弛變形特征對(duì)于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有重要的理論和工程實(shí)踐價(jià)值。

針對(duì)層狀巖體地下洞室圍巖變形破壞問題，國內(nèi)外許多學(xué)者在此方面開展了相關(guān)的研究，并取得了一定的成果。王永巖等［5］采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了不同傾角硐室圍巖穩(wěn)定性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著層狀傾角的增大，位移變化先增大后減小。王惠風(fēng)等［6］采用PFC（Particle Flow Code）軟件研究了層狀巖體條件下巷道圍巖的變形破壞規(guī)律，并分析了巖層厚度變化對(duì)圍巖變形破壞特征的影響。李赤謀等［7］采用3DEC（3 Dimension Distinct Element Code）研究了層面傾角對(duì)軟巖隧道圍巖變形的影響規(guī)律。沙鵬等［8］采用現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段，研究了高地應(yīng)力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護(hù)受力特征。Xu G N等［9］基于連續(xù)-離散耦合分析方法，從細(xì)觀角度分析了隧道開挖后層狀巖體的破壞機(jī)理。唐勇等［10］采用數(shù)值模擬分析了層理面的傾向與傾角對(duì)隧道破壞模式的影響，在此基礎(chǔ)上提出了圍巖形變控制的錨桿非對(duì)稱支護(hù)模式。張家宏等［11］對(duì)河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房的圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析。張國新等［12］采用DDA（Discontinuous Deformation Analysis）模擬研究了水對(duì)層狀巖體邊坡傾倒變形的影響。

縱觀現(xiàn)有研究成果，目前針對(duì)層狀巖體地下工程圍巖變形破壞的研究主要集中隧道方面，而針對(duì)于大跨度、高邊墻地下廠房的研究相對(duì)較少，而且現(xiàn)有研究中多數(shù)僅考慮巖層傾角的影響，而對(duì)巖層走向的影響研究較少［13-14］。本文基于三維離散元數(shù)值模擬，分析巖層產(chǎn)狀（包括傾角和走向）對(duì)層狀巖體地下廠房圍巖松弛變形特征的影響，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)層狀巖體地下廠房洞軸線布置及支護(hù)措施的設(shè)計(jì)，提出了一些建議。研究成果對(duì)于指導(dǎo)地下廠房的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

2 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算條件

2.1 數(shù)值計(jì)算模型 針對(duì)層狀巖體結(jié)構(gòu)特征，文中選取抽水蓄能電站地下廠房典型斷面形狀，建立了層狀巖體地下廠房概化模型，見圖1。選取的地下廠房埋深為250 m，廠房斷面尺寸為26 m（寬）×58 m（高），廠房分六層開挖，依次為CI至CVI；同時(shí)考慮邊界效應(yīng)和數(shù)值計(jì)算量的影響，模型尺寸取為200 m（長）×200 m（寬）×50 m（厚），模型中層狀巖體巖層厚度（h）為4 m。

如圖1所示，文中分析時(shí)為了便于描述巖層產(chǎn)狀（傾向和傾角）的變化，采用廠房縱軸線與巖層走向的夾角來刻畫巖層傾向的變化，在此基礎(chǔ)上，分別建立了不同傾角及不同廠房縱軸線與巖層走向夾角的數(shù)值計(jì)算模型，見圖2。其中，不同傾角分別取 0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，圖2（a）中給出了巖層傾角分別為0°、60°和90°的模型；另外，在不同巖層傾角下，廠房縱軸線與巖層走向的夾角分別取0°、20°、40°、50°、60°、70°、80°，圖2（b）中給出了廠房縱軸線與巖層走向的夾角分別為20°、40°和60°的模型。

圖1 層狀巖體地下廠房概化模型

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 計(jì)算本構(gòu)模型及參數(shù) 數(shù)值模擬中，巖層的力學(xué)特性采用摩爾-庫倫彈塑性模型進(jìn)行模擬，巖層間的接觸力學(xué)行為采用庫倫滑移模型進(jìn)行模擬，文中數(shù)值計(jì)算參數(shù)取值情況見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)取值

2.3 數(shù)值計(jì)算條件 對(duì)于抽水蓄能電站，通常情況下，地下廠房所處的地應(yīng)力場多為自重應(yīng)力場，因此文中數(shù)值模擬中考慮的初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，其水平方向的側(cè)壓力系數(shù)為0.5。在數(shù)值模擬時(shí)，通過在頂部施加180 m埋深的巖體自重荷載來模擬地下廠房250 m的埋深，同時(shí)模型四周邊界條件設(shè)置為位移約束條件，即將邊界節(jié)點(diǎn)速度設(shè)置為0。

3 巖層產(chǎn)狀對(duì)廠房圍巖松弛變形規(guī)律影響分析

3.1 巖層傾角的影響 為了考慮巖層傾角的影響，分析時(shí)選取了廠房軸線與巖層走向的夾角為0°情況下的不同巖層傾角下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，通過對(duì)比圍巖的位移場分布及巖層面接觸狀態(tài)的破壞情況，分析巖層傾角變化對(duì)圍巖松弛變形特征的影響規(guī)律。

圖3給出了不同傾角下廠房開挖后圍巖的位移場分布云圖?？傮w上，從圖3中可以看出，廠房開挖后，圍巖位移場的分布與巖層傾角密切相關(guān)，在不同巖層傾角下，受巖層傾角的影響，位移場分布呈現(xiàn)出了顯著的差異性；且當(dāng)巖層傾角為0°和90°時(shí)，開挖后位移場的分布表現(xiàn)為左右對(duì)稱的分布形式，而在其他傾角時(shí)，位移場分布表現(xiàn)為左右非對(duì)稱的分布形式，且位移場的分布在層面位置也呈現(xiàn)出了明顯的非連續(xù)性。進(jìn)一步對(duì)比不同傾角下圍巖最大變形的分布位置可以看出，在自重應(yīng)力場下，當(dāng)巖層傾角小于30°時(shí)，廠房開挖后圍巖最大變形出現(xiàn)在頂拱和底板部位；當(dāng)巖層傾角達(dá)到30°后，順層面一側(cè)邊墻（即左側(cè)邊墻）的圍巖開始逐漸呈現(xiàn)出了明顯的順層滑移變形，且進(jìn)一步隨著巖層傾角的增加，當(dāng)巖層傾角到達(dá)60°時(shí)，此時(shí)圍巖最大變形出現(xiàn)在了邊墻部位。由此表明，在自重應(yīng)力場條件下，當(dāng)巖層傾角小于30°時(shí)，即緩傾角情況下，廠房開挖過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注頂拱和底板部位圍巖的變形穩(wěn)定問題，而當(dāng)巖層傾角大于60°時(shí)，即陡傾角情況下，需重點(diǎn)關(guān)注邊墻部位圍巖的變形穩(wěn)定問題。

圖3 不同巖層傾角下圍巖位移分布云圖

進(jìn)一步對(duì)不同傾角下廠房開挖后圍巖的最大變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析巖層傾角變化對(duì)圍巖最大變形量的影響規(guī)律。圖4給出了圍巖最大變形量隨巖層傾角變化的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，當(dāng)巖層傾角小于30°時(shí)，隨著巖層傾角的增加，圍巖最大變形量基本無明顯的變化；當(dāng)巖層傾角達(dá)到30°后，隨著傾角的增加，圍巖最大變形量表現(xiàn)出了先增大后減小的趨勢，且當(dāng)巖層傾角達(dá)到60°～70°時(shí)，最大變形量達(dá)到了最大，增加量達(dá)到了2倍以上。由此可以看出，當(dāng)巖層傾角小于30°時(shí)，巖層傾角的變化對(duì)開挖后圍巖的最大變形量影響不大，當(dāng)巖層傾角超過30°后，巖層傾角的變化對(duì)圍巖的最大變形量則影響顯著，變化幅度可達(dá)2倍以上。

對(duì)于賦存結(jié)構(gòu)面的巖體，洞室開挖后巖體的變形特性主要受結(jié)構(gòu)面的變形破壞控制。圖5給出了不同巖層傾角下巖層面接觸狀態(tài)破壞情況的分布圖。由圖5中對(duì)比可以看出，在不同巖層傾角下，由于開挖后應(yīng)力調(diào)整，廠房洞室周邊圍巖巖層面均出現(xiàn)了一定的張開和滑移的破壞情況，圍巖表現(xiàn)出了松弛特性，且受巖層傾角變化的影響，圍巖松弛區(qū)的分布也表現(xiàn)出了明顯的差異性。進(jìn)一步對(duì)比不同巖層傾角下圍巖松弛區(qū)的深度和分布范圍可以看出，當(dāng)巖層傾角小于30°時(shí)，巖層傾角變化對(duì)開挖后松弛區(qū)的深度影響不大，且松弛區(qū)主要分布于頂拱和底板部位；當(dāng)巖層傾角達(dá)到30°后，順層面一側(cè)邊墻（即左側(cè)邊墻）部位圍巖的松弛區(qū)出現(xiàn)了明顯增大，而且隨著巖層傾角的增加，開挖后廠房周邊圍巖松弛區(qū)的分布范圍和深度也在不斷擴(kuò)大，當(dāng)巖層傾角為60°～70°時(shí)，此時(shí)松弛區(qū)的深度和分布范圍達(dá)到了最大，此后隨著巖層傾角的增加，圍巖松弛區(qū)深度和分布范圍開始出現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這一變化規(guī)律與圖4中最大變形量隨巖層傾角的變化規(guī)律是一致的，而這也正是導(dǎo)致不同傾角下廠房開挖后圍巖變形特征表現(xiàn)出顯著差異性的本質(zhì)原因。

圖4 最大變形量隨巖層傾角變化的關(guān)系曲線

圖5 不同巖層傾角下巖層面接觸狀態(tài)的破壞情況

3.2 巖層走向的影響 為了考慮巖層走向的影響，分析時(shí)分別針對(duì)緩傾角和陡傾角情況兩種情況，選取巖層傾角為30°和60°下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，通過對(duì)比圍巖的位移場分布及巖層面接觸狀態(tài)的破壞情況，分析廠房縱軸線與巖層走向的夾角變化對(duì)圍巖松弛變形特征的影響規(guī)律。

圖6所示為廠房縱軸線與巖層走向在不同夾角情況下的圍巖位移場分布云圖。總體上，從圖6中可以看出，在同一巖層傾角下，隨著廠房縱軸線與巖層走向的夾角的增大，廠房開挖后圍巖的最大變形量是在逐漸的減小，而且對(duì)于緩傾角（dip=30°）和陡傾角（dip=60°）兩種情況而言，隨著廠房縱軸線與巖層走向的夾角的增大，廠房縱軸線與巖層走向的夾角的變化對(duì)圍巖位移場分布的影響也不相同。其中，在緩傾角情況下，廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)圍巖的位移場分布影響相對(duì)較小，見圖6（a）；而在陡傾角情況下，廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)圍巖的位移場分布影響相對(duì)較大，并且隨著廠房縱軸線與巖層走向夾角的增大，圍巖最大變形部位由邊墻逐漸轉(zhuǎn)移到拱頂和底板，見圖6（b）。

圖6 廠房縱軸線與巖層走向在不同夾角下圍巖位移場分布云圖

進(jìn)一步，為了分析廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)廠房開挖后圍巖最大變形量的影響規(guī)律，圖7中給出了圍巖最大變形量隨廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化關(guān)系曲線?？傮w上，從圖7中可以看出，在相同巖層傾角下，隨著廠房縱軸線與巖層走向夾角的增加，圍巖最大變形量表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，并且當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角超過一定角度后，隨著廠房縱軸線與巖層走向夾角的增加，圍巖最大變形量的減小趨勢出現(xiàn)了明顯的減小，這表明當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角超過一定角度后，廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)圍巖的變形基本上已無明顯影響。具體而言，對(duì)于緩傾角（dip=30°）情況，廠房縱軸線與巖層走向夾角在0°～50°變化時(shí)，圍巖最大變形量的變化量達(dá)到了2倍以上，而當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角大于50°后，廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)圍巖變形基本上已無明顯影響；對(duì)于陡傾角（dip=60°）情況，廠房縱軸線與巖層走向夾角在0°～60°變化時(shí)，圍巖最大變形量的變化量也達(dá)到了2倍以上，而當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角大于60°后，廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)圍巖變形也基本上無明顯影響。

圖7 最大變形量隨廠房縱軸線與巖層走向的夾角的變化關(guān)系曲線

此外，圖8中還給出了廠房縱軸線與巖層走向在不同夾角情況下巖層面接觸狀態(tài)的破壞情況。從圖8中可以看出，在相同巖層傾角情況下，隨著廠房縱軸線與巖層走向夾角的增加，圍巖松弛區(qū)的分布范圍和深度均在逐漸減小，且當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角超過一定角度后，隨著廠房縱軸線與巖層走向夾角的繼續(xù)增加，此時(shí)圍巖松弛區(qū)的范圍和深度基本上已無明顯的減小。具體來說，對(duì)于緩傾角（dip=30°）情況，當(dāng)巖層傾角大于50°后，隨著廠房縱軸線與巖層走向夾角的增加，圍巖松弛區(qū)的分布范圍和深度基本上無明顯的變化；而對(duì)于陡傾角（dip=60°）情況，當(dāng)巖層傾角大于60°后，圍巖松弛區(qū)的分別范圍和深度基本上無明顯的變化，這一變化規(guī)律與圖7中最大變形量隨廠房縱軸線與巖層走向的夾角的變化規(guī)律是一致的。

圖8 廠房縱軸線與巖層走向在不同夾角下層面接觸狀態(tài)的破壞情況

4 層狀巖體地下廠房設(shè)計(jì)與支護(hù)建議

4.1 關(guān)于層狀巖體地下廠房縱軸線的設(shè)計(jì)建議 對(duì)于地下廠房主體洞室縱軸線方位的選擇，水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范（NB/T 35090—2016）［15］中規(guī)定：主體洞室縱軸線與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向的夾角不宜小于50°。文中針對(duì)緩傾角（dip=30°）和陡傾角（dip=60°）的情況，通過對(duì)比分析兩種情況下廠房縱軸線與巖層走向夾角的變化對(duì)圍巖松弛變形特征的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，對(duì)于緩傾角層狀巖體，當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角大于50°后，此時(shí)其夾角的變化對(duì)圍巖變形及松弛區(qū)深度基本上無明顯影響；而對(duì)于陡傾角層狀巖體，當(dāng)廠房縱軸線與巖層走向的夾角大于60°后，此時(shí)其夾角的變化對(duì)圍巖變形及松弛區(qū)深度基本上無明顯影響。因此，對(duì)于陡傾角層狀巖體，在地下廠房設(shè)計(jì)時(shí)，建議洞室縱軸線與巖層走向的夾角不宜小于60°。

4.2 關(guān)于層狀巖體地下廠房支護(hù)措施設(shè)計(jì)建議 對(duì)于地下廠房支護(hù)措施的設(shè)計(jì)，目前工程中主要采用對(duì)稱支護(hù)措施。文中通過對(duì)不同巖層傾角下廠房開挖后圍巖的松弛變形特征對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在不同傾角下，受巖層傾角變化的影響，廠房開挖后圍巖位移場分布呈現(xiàn)出了顯著的差異性，除傾角為0°和90°情況外，位移場分布均呈現(xiàn)為左右非對(duì)稱的分布形式，而且在不同傾角下，開挖后圍巖松弛區(qū)的深度及分布范圍也存在明顯的不同。因此，針對(duì)層狀巖體而言，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用非對(duì)稱支護(hù)措施，并根據(jù)開挖后圍巖松弛區(qū)的分布范圍和深度，確定合理的支護(hù)方案。

5 結(jié)論

針對(duì)層狀巖體地下廠房圍巖變形穩(wěn)定問題，本文基于三維離散元數(shù)值模擬分析，研究了巖層產(chǎn)狀對(duì)圍巖松弛變形特征的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)層狀巖體地下廠房洞軸線布置及支護(hù)措施的設(shè)計(jì)，提出了一些建議。

（1）廠房開挖后圍巖的位移場和松弛區(qū)的分布特征與巖層產(chǎn)狀密切相關(guān)，且隨著巖層傾角及廠房縱軸線與巖層走向的夾角的變化，呈現(xiàn)出了顯著的差異性?？傮w來說，在相同條件下，隨著巖層傾角的增加，廠房開挖后圍巖的變形量及松弛區(qū)的深度表現(xiàn)出了先增大后減小的趨勢，且當(dāng)巖層傾角為60°～70°時(shí)，變形量及松弛區(qū)的深度達(dá)到最大值；而隨著廠房縱軸線與巖層走向的夾角的增大，圍巖的最大變形量和松弛區(qū)的深度均在逐漸減小。

（2）數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，在自重應(yīng)力場下，對(duì)于緩傾角層狀巖體（巖層傾角小于30°），廠房開挖過程中，需重點(diǎn)關(guān)注頂拱和底板部位圍巖變形穩(wěn)定問題，對(duì)于陡傾角層狀巖體（巖層傾角超過60°），需重點(diǎn)關(guān)注邊墻部位圍巖的變形穩(wěn)定問題。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在自重應(yīng)力場下，對(duì)于陡傾角層狀巖體地下廠房設(shè)計(jì)時(shí)，建議洞室縱軸線與巖層走向的夾角不宜小于60°。此外，由于開挖后圍巖松弛變形特征具有明顯的非對(duì)稱特性，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用非對(duì)稱支護(hù)措施，并圍巖松弛區(qū)的分布范圍和深度，確定合理的支護(hù)方案。