羅 肖, 鄭 虹, 江 權(quán), 袁 維, 陳 濤

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430000;3.四川華能瀘定水電有限公司,四川 甘孜藏族自治州 626000)

深部巖石工程問(wèn)題是西部水電開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可忽略的一部分,通常因復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、高地應(yīng)力和高地溫等問(wèn)題造成施工過(guò)程中坍塌、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害,也將會(huì)對(duì)水電站地下廠房的穩(wěn)定性造成一定的影響。

地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力卸荷破壞會(huì)導(dǎo)致圍巖振動(dòng)并危害工程安全[1]。地應(yīng)力較高時(shí),開(kāi)挖卸荷破壞甚至可能超過(guò)爆破振動(dòng)破壞而成為圍巖破壞的主要因素[2]。而大型地下工程多層開(kāi)挖則可能造成下層開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)上層結(jié)構(gòu)的破壞。瀑布溝水電站地下廠房開(kāi)挖過(guò)程中巖壁吊車(chē)梁下游廠橫出現(xiàn)深約0.5 m的裂縫,對(duì)后續(xù)施工存在一定的破壞影響[3]。開(kāi)挖擾動(dòng)荷載作用下巖錨梁與巖臺(tái)的黏結(jié)面將會(huì)遭到破壞[4],導(dǎo)致巖錨梁失穩(wěn)。為削弱前期巖臺(tái)開(kāi)挖爆破時(shí)圍巖擾動(dòng)、應(yīng)力調(diào)整對(duì)巖錨梁沉降造成的影響,王紅彬等[5]對(duì)開(kāi)挖方式和支護(hù)方法進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整以減小爆破程度并降低卸荷破壞程度。張必軍[6]應(yīng)用套管法對(duì)巖錨梁巖臺(tái)開(kāi)挖進(jìn)行質(zhì)量控制。魏星等[7]則采用傾斜預(yù)裂爆破和傾斜孔深孔臺(tái)階式爆破的方式減小其對(duì)邊坡巖體完整性的影響。目前在國(guó)內(nèi)多個(gè)大型地下廠房巖錨梁開(kāi)挖與變形控制的實(shí)踐中,巖錨梁開(kāi)挖施工技術(shù)處理支護(hù)方案優(yōu)化已經(jīng)較為成熟,但仍缺乏基于開(kāi)挖卸荷圍巖計(jì)算力學(xué)角度分析預(yù)裂爆破對(duì)巖錨梁變形控制作用的研究。

以硬梁包水電站地下廠房主廠房第3、4層開(kāi)挖為例,采用FLAC3D有限差分軟件模擬了不同施工工序下圍巖的力學(xué)響應(yīng)情況。研究充分考慮了預(yù)裂卸荷后提前釋放部分圍巖變形對(duì)巖錨梁后續(xù)變形的影響。通過(guò)監(jiān)測(cè)巖錨梁附近圍巖位移的變化,對(duì)比分析了先預(yù)裂第4層再澆筑巖錨梁和先澆筑巖錨梁后第4層預(yù)裂2種施工工序下圍巖位移情況。研究結(jié)果可為解決硬梁包地下水電站巖錨梁的穩(wěn)定問(wèn)題提供參考。

1 工程背景

1.1 工程地理位置

硬梁包梯級(jí)水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內(nèi)的大渡河干流上,為四川省大渡河干流最新規(guī)劃22級(jí)方案的第13級(jí)電站,上游梯級(jí)為瀘定水電站,下游梯級(jí)銜接大崗山水電站。廠址區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造帶北端與北東向龍門(mén)山斷褶帶、北西向鮮水河斷褶帶和金湯弧形構(gòu)造帶的交接復(fù)合部位,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜且主要分布為花崗巖。上游廠廊式調(diào)壓室高邊墻開(kāi)挖尺寸規(guī)模和支護(hù)設(shè)計(jì)難度空前,其中地下廠房洞室斷面形狀采用圓拱直墻形,頂拱跨度28.20 m,在第3層開(kāi)挖后搭建巖錨吊車(chē)梁,開(kāi)挖巖錨吊車(chē)梁后廠房跨度25.40 m,最大高度66.8 m;副廠房斷面尺寸為跨度25.40 m,最大高度39.0 m。

1.2 廠房分層開(kāi)挖與預(yù)裂爆破施工

預(yù)裂爆破是針對(duì)工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)的頂板提前采取處理的一種手段[8]。該方法原理是在主體爆破前,通過(guò)在一定范圍內(nèi)預(yù)設(shè)一條裂縫,釋放部分圍巖的壓力,弱化巖體力學(xué)性質(zhì),弱化圍巖應(yīng)力集中程度,使高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移;在主體爆孔爆破時(shí),預(yù)設(shè)爆破范圍外的圍巖受到預(yù)裂縫的良好保護(hù),形成一個(gè)平整的輪廓面,對(duì)巖錨梁的混凝土保護(hù)層也起到穩(wěn)定的保護(hù)作用。由于該方法受地質(zhì)條件限制小,對(duì)工作面正常生產(chǎn)影響小,所以被廣泛運(yùn)用于存在不良地質(zhì)條件的地下工程。白蓮河蓄能電站地下廠房第2層分步開(kāi)挖先對(duì)中部拉槽區(qū)進(jìn)行預(yù)裂爆破,減輕拉槽梯段爆破對(duì)巖壁梁預(yù)留保護(hù)層的振動(dòng)破壞[9]。別斯庫(kù)都克露天煤礦的邊坡采取預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行邊坡裂紋控制,提高了保留巖體的穩(wěn)定性[10]。

硬梁包洞室群廠址區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的演化經(jīng)歷了河谷強(qiáng)烈沖刷下的侵蝕、剝蝕和沖淘等地質(zhì)作用,受底層侵蝕卸荷作用的控制。洞室群分布巖層巖體多微新,裂隙較發(fā)育。

圖1(a)為硬梁包廠房分層開(kāi)挖示意圖?，F(xiàn)場(chǎng)花崗巖裂隙多而雜,其不規(guī)則硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和巖體不連續(xù),產(chǎn)生的不連續(xù)面會(huì)阻擋能量轉(zhuǎn)移,造成開(kāi)挖面與不連續(xù)面之間產(chǎn)生應(yīng)變能堆積。隨著開(kāi)挖面的應(yīng)力應(yīng)變不斷接近不連續(xù)面,開(kāi)挖面與不連續(xù)面之間的巖石將會(huì)同時(shí)破裂,形成片幫破壞甚至巖爆。根據(jù)圖1(b)所示,廠房第1層開(kāi)挖后,隨時(shí)間的推移,圍巖逐漸產(chǎn)生漸進(jìn)性的松弛開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象。片幫的深度和范圍也不斷擴(kuò)大,并且這種破壞過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。開(kāi)挖過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)觀察到廠區(qū)存在不規(guī)則、具有一定厚度的軟弱夾層,可能導(dǎo)致開(kāi)挖卸荷下巖體內(nèi)部局部應(yīng)力分異和上盤(pán)、下盤(pán)變形不連續(xù),從而引起巖體的時(shí)效變形。

圖1 廠房開(kāi)挖示意圖

硬梁包地下廠房第2層開(kāi)挖發(fā)現(xiàn),后續(xù)分層開(kāi)挖對(duì)廠房上部巖體變形影響較大。廠房第2層開(kāi)挖引起第1層拱頂圍巖變形3～5 mm,第3層開(kāi)挖引起拱頂變形約3 mm。第3層開(kāi)挖逐漸顯露出花崗巖蝕變,巖體完整性不夠理想,因此,硬梁包地下廠房第4層開(kāi)挖必然會(huì)引起廠房第3層高程區(qū)域圍巖變形增長(zhǎng),進(jìn)而可能導(dǎo)致巖錨梁混凝土結(jié)構(gòu)的變形增長(zhǎng),誘發(fā)巖錨梁不均勻變形、局部開(kāi)裂等問(wèn)題。

鑒于硬梁包廠址存在不良地質(zhì)條件,并考慮到現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況,針對(duì)巖錨梁封層部分可能受爆破影響的問(wèn)題,巖錨梁的澆筑時(shí)機(jī)變得尤為關(guān)鍵和重要。而巖錨梁澆筑時(shí)機(jī)的關(guān)鍵在于廠房第4層預(yù)裂對(duì)第3層圍巖提前釋放部分變形的影響,因此需要借助數(shù)值模擬手段對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究分析。實(shí)際施工中,第4層開(kāi)挖預(yù)裂爆破的方式,是在距離兩側(cè)3 m處依照排列確定小孔位置,布置導(dǎo)向孔,鉆孔后放置適量的引爆炸藥,爆破后沿著預(yù)裂孔方向?qū)?huì)出現(xiàn)裂縫,以達(dá)到釋放圍巖應(yīng)力的目的。

圖2 第4層預(yù)裂效應(yīng)的準(zhǔn)三維數(shù)值模擬計(jì)算模型

2 預(yù)裂法數(shù)值計(jì)算

2.1 預(yù)裂拉槽網(wǎng)格模型建立

第4層開(kāi)挖會(huì)造成巖錨梁一定程度的變形,為探究第4層預(yù)裂爆破應(yīng)力釋放之后再澆筑巖錨梁能多大幅度降低巖錨梁變形,通過(guò)FLAC3D有限差分軟件建立廠房計(jì)算模型,計(jì)算模型邊界條件如表1所示。在計(jì)算模型中分塊添加預(yù)裂孔進(jìn)行預(yù)裂等效模擬,如圖2所示。

表1 計(jì)算模型邊界條件 MPa

主廠房巖體第1、2、3層依次開(kāi)挖后,從主廠房第3層底板開(kāi)始,在距第4層兩側(cè)邊約3 m的位置垂直向下設(shè)置預(yù)裂孔,通過(guò)巖體瞬態(tài)卸荷模擬進(jìn)行預(yù)裂,基于計(jì)算位移釋放量級(jí)等同現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂縫量級(jí)的方式模擬預(yù)裂荷載效應(yīng)。

2.2 理論模型

將地下工程巖體由開(kāi)挖前的三向應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為開(kāi)挖后的二向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力集中或卸荷使得圍巖力學(xué)狀態(tài)劣化并導(dǎo)致屈服破壞。實(shí)際施工中圍巖應(yīng)力再次調(diào)整,巖體基本力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生明顯變化。以微觀角度來(lái)看,表層圍巖物性參數(shù)發(fā)生明顯劣化,其原因一方面是卸荷作用導(dǎo)致原處于密閉狀態(tài)下的細(xì)微裂隙趨于張開(kāi),另一方面是洞壁環(huán)向應(yīng)力的劈裂作用和施工擾動(dòng)進(jìn)一步加劇了原有裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的產(chǎn)生;以宏觀角度來(lái)看,圍巖應(yīng)力重分布是巖體變形模量(E)、黏聚力(C)、內(nèi)摩擦角(φ)等發(fā)生改變的過(guò)程。

因此,當(dāng)以數(shù)值方法研究地下洞室群圍巖破損的力學(xué)行為時(shí),其本構(gòu)模型是通過(guò)巖石強(qiáng)度理論分析不同應(yīng)力狀態(tài)條件下巖石的屈服和破壞機(jī)理,準(zhǔn)確反映出巖體材料在屈服破壞的突然性和巖體屈服后力學(xué)參數(shù)隨圍巖破損而改變的這2個(gè)基本特征。等效塑性應(yīng)變是描述材料屈服后塑性程度的指標(biāo)。

(1)

為反映巖體屈服后力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,可假設(shè)E、C、φ都是隨等效塑性應(yīng)變的函數(shù)。因此,當(dāng)數(shù)值循環(huán)計(jì)算過(guò)程中巖體屈服后,3個(gè)基本力學(xué)參數(shù)將隨等效塑性應(yīng)變進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(2)

開(kāi)挖卸荷計(jì)算過(guò)程中圍巖力學(xué)模型采用反映巖體彈性模量、黏聚力隨塑性應(yīng)變裂化或弱化、摩擦強(qiáng)度隨塑性應(yīng)變強(qiáng)化的巖體劣化模型(rock mass deterioration model, RDM)模型[11],硬梁包地下廠房圍巖力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)準(zhǔn)三維數(shù)值模擬計(jì)算模型,對(duì)廠房開(kāi)挖后位于廠橫0+35.0和廠橫0+85.0 2個(gè)剖面的巖錨梁附近圍巖位移增加趨勢(shì)進(jìn)行了分析。表3展示了圍巖變形的對(duì)比結(jié)果。廠橫0+35.0與廠橫0+85.0位置處第3層開(kāi)挖巖臺(tái)附近圍巖變形量3 cm左右,預(yù)裂卸壓之后巖臺(tái)附近圍巖變形量增長(zhǎng)到4.5 cm左右,第4層開(kāi)挖后巖錨梁附近圍巖變形位移增加到5 cm左右,后續(xù)的開(kāi)挖過(guò)程中巖錨梁巖臺(tái)附近圍巖位移也均控制在5.5 cm內(nèi),此計(jì)算結(jié)果表明,預(yù)裂孔爆破完成后巖錨梁巖臺(tái)附近圍巖釋放了部分應(yīng)力,產(chǎn)生了一定程度的卸荷松弛,在預(yù)裂爆破作用下提前釋放了部分變形。如果在進(jìn)行預(yù)裂后進(jìn)行巖錨梁的澆筑,盡管巖錨梁的封層部分可能會(huì)產(chǎn)生一定的變形,但相比于在預(yù)裂前進(jìn)行澆筑的情況,其產(chǎn)生的變形更小。這意味著在預(yù)裂后進(jìn)行澆筑能夠減少封層部分的變形,從而提高巖錨梁的整體穩(wěn)定性。因此,在考慮巖錨梁澆筑時(shí)機(jī)時(shí),將預(yù)裂后進(jìn)行澆筑可能是一個(gè)更好的選擇。

表3 分層開(kāi)挖及第4層預(yù)裂施工后圍巖變形云圖對(duì)比 m

圖3 巖錨梁上游側(cè)和下游側(cè)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.4 巖錨梁穩(wěn)定性分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)廠橫0+35.0和廠橫0+85.0 2個(gè)斷面上巖錨梁上游側(cè)和下游側(cè)的2個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3),可以觀察預(yù)裂開(kāi)挖對(duì)巖錨梁附近圍巖變形的影響。

圖4為各層開(kāi)挖后巖錨梁上游側(cè)和下游側(cè)測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì),對(duì)比顯示下游側(cè)變形要比上游側(cè)變形量更大。根據(jù)表4所示的數(shù)據(jù),預(yù)裂孔爆破后的釋放變形量顯示,通過(guò)預(yù)裂操作可以減小廠房第4層開(kāi)挖對(duì)巖錨梁附近圍巖變形的影響,減小的幅度約為40%。因此,采取先預(yù)裂第4層再澆筑巖錨梁的方式,能夠在一定程度上減小巖錨梁受開(kāi)挖影響而導(dǎo)致的變形。這些結(jié)果表明預(yù)裂操作對(duì)于保證巖錨梁的穩(wěn)定性具有重要的意義。

圖4 各層開(kāi)挖后巖錨梁附近測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)

表4 預(yù)裂孔爆破后釋放變形量比例 %

圖5 第4層預(yù)裂爆破后巖錨梁現(xiàn)狀

通過(guò)后續(xù)第4層開(kāi)挖完成之后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察巖錨梁及其附近圍巖未造成明顯破壞(見(jiàn)圖5),證明該方法對(duì)控制巖錨梁的變形破壞較為有效。

3 結(jié)論

針對(duì)硬梁包水電站地下廠房巖錨梁澆筑與第4層預(yù)裂開(kāi)挖施工順序問(wèn)題,綜合硬梁包廠房現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形表現(xiàn)、同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)和模擬預(yù)裂開(kāi)挖的過(guò)程分析,有如下結(jié)論:

(1)廠房第4層開(kāi)挖將會(huì)不可避免地引起上層高程圍巖的變形增長(zhǎng),其變形量最大可能達(dá)到10 mm,而巖錨梁的巖臺(tái)附近圍巖變形增長(zhǎng)更為明顯。因此采取合理施工順序優(yōu)化減小澆筑的巖錨梁受第4層開(kāi)挖誘發(fā)的變形有利于巖錨梁穩(wěn)定性。

(2)在巖錨梁澆筑前先進(jìn)行第4層開(kāi)挖的邊墻預(yù)裂爆破施工可以一定程度上減小第4層開(kāi)挖導(dǎo)致的巖錨梁大幅變形,模擬各層開(kāi)挖以及預(yù)裂施工時(shí)圍巖變形。結(jié)果顯示,在第4層開(kāi)挖前先進(jìn)行預(yù)裂,可使廠房第3層巖臺(tái)附近圍巖變形提前釋放40%左右,從而使后期澆筑的巖錨梁不受該預(yù)裂誘發(fā)變形的影響。

(3)此外,受廠區(qū)三維初始地應(yīng)力場(chǎng)影響,硬梁包廠房下游墻腳應(yīng)力集中較為明顯。模擬第4層預(yù)裂開(kāi)挖時(shí)下游巖錨梁變形較大,可能是受該地應(yīng)力場(chǎng)的影響,而廠房第4層預(yù)裂施工有利于轉(zhuǎn)移巖錨梁區(qū)域的應(yīng)力集中,釋放圍巖應(yīng)力。因此,巖錨梁開(kāi)挖支護(hù)后進(jìn)行第4層預(yù)裂有利于維持巖臺(tái)的穩(wěn)定和完整性。