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超大直徑調壓井開挖一次支護及圍巖穩(wěn)定分析研究

2020-03-09 07:19白俊嶺李岳東武帥
水利水電工程設計 2020年4期
關鍵詞:摩擦角塑性錨索

白俊嶺 李岳東 武帥

1 工程概況

新疆某工程發(fā)電引水系統(tǒng)調壓井為阻抗式,開挖直徑32.4 m,襯砌內徑28 m,井頂開挖高程1 009.5 m,井底開挖高程864.8 m,井筒開挖高度144.7 m,是目前亞洲最大的調壓井之一。調壓室位于廠房后邊坡上,所處地形較平緩,基巖裸露,天然坡度15°~25°,地面高程1 005~1 015 m。

調壓室附近巖性以灰黑色黑云母石英片巖為主,夾雜少量花崗偉晶巖脈。黑云母石英片巖片理發(fā)育,巖層總體走向NW300°~350°,傾向NE,傾角45°~55°。根據鉆孔資料,調壓井附近弱風化帶厚度32.5 m 左右,頂部0~32.5 m 處,巖體較破碎,以Ⅳ類圍巖為主,地面32.5 m 以下,多為Ⅲ類圍巖,局部為Ⅱ類和Ⅳ類圍巖。調壓井部位巖體風化厚度大,巖體較破碎,開挖時成井條件一般,開挖時須及時采取系統(tǒng)的一次支護措施。

2 調壓井一次支護參數確定

2.1 支護參數確定原則

超大直徑調壓井的開挖及圍巖穩(wěn)定一直是工程中關注的重點問題,其主要特點是超大直徑調壓井開挖難度大,開挖過程中圍巖整體穩(wěn)定性差,支護措施多,工期長,施工過程中易造成調壓井大規(guī)模坍塌,造成重大工程事故。結合國內外超大直徑調壓井的開挖支護經驗,支護參數的確定原則和主要開挖支護措施有:(1)當調壓井大部分巖體處于強卸荷帶、周圍巖體較破碎時,可在井口平臺上對井圈外圍一定范圍內的破碎巖體實施深孔預固結灌漿,填充圍巖裂隙,提高巖體整體穩(wěn)定性;并對井壁采取“噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網加鋼筋混凝土襯砌(倒掛混凝土)”的聯(lián)合支護措施。[1](2)當調壓井上部破碎巖體范圍較小時,可采用一定高度的鎖口混凝土結合噴錨支護,錨桿可采用直徑25 mm 或28 mm,長度4.5 m和L=6 m 的系統(tǒng)錨桿。(3)當調壓井下部巖體相對較差,主要為Ⅲ類和Ⅳ類圍巖時,可采用噴錨+局部錨索的支護型式,其中錨桿可采用長短結合交錯布置,采用6、9、12 m 等長度,錨索可根據類似工程經驗和圍巖穩(wěn)定計算選擇合適長度的預應力錨索,若調壓井直徑大于30 m,可采用20 m 或30 m 的預應力錨索(1 000 kN)。(4)開挖時,首先利用反井鉆開挖溜渣導井,再開挖大井,大井擴挖自上而下進行,開挖分層高度視圍巖完整性確定,并采用預留保護層光面爆破。

2.2 支護設計

根據地質勘察成果,調壓室上部約32.5 m 范圍屬Ⅳ類圍巖,巖體較為破碎,成井條件較差,地面32.5 m 以下,多為Ⅲ類圍巖,局部為Ⅱ類圍巖。結合現行規(guī)范,在總結已建福堂、太平驛、錦屏一級、糯扎度、小灣等超大直徑調壓井[2]開挖支護技術與建設經驗的基礎上,綜合考慮調壓井施工運行、縮短工期、節(jié)約投資等因素,初步確定調壓井開挖支護措施為:頂部高程987.0~1 009.5 m 范圍豎井襯砌外設厚1 m 鎖口混凝土,鎖口混凝土外采用噴錨支護,掛Φ6.5 mm@150 mm 鋼筋網,噴C25 混凝土厚10 cm,錨桿采用直徑25 mm,L=4.5 m和直徑28 mm,L=6 m 的系統(tǒng)錨桿。鎖口混凝土以下井筒一次支護采用錨索+錨桿+掛網噴混凝土+混凝土圈梁的組合支護型式。支護參數為:噴C25 混凝土厚20 cm,兩層Φ6.5 mm@150 mm 鋼筋網。錨桿采用直徑28 mm 與32 mm 的系統(tǒng)錨桿和直徑32 mm 的預應力錨桿(150 kN),長分別為6、9、12 m,系統(tǒng)錨桿間、排距2.0 m,梅花形布置;預應力錨桿間距2 m,排距10 m,梅花形布置。同時高度方向每隔10 m 設長分別為20 m 和30 m 的預應力錨索(1 000 kN),間距4 m,交錯布置。每層錨索處設0.5 m×1.0 m 的環(huán)形C25 混凝土圈梁。調壓井開挖支護示意圖如圖1 所示。

3 調壓井圍巖開挖穩(wěn)定計算

3.1 穩(wěn)定計算本構模型

本構模型是巖土材料力學性質的經驗性描述,表達的是外載條件下巖、土體的應力—應變關系,因此,本構模型的選擇是數值模擬的一個關鍵。本工程采用巖土工程中廣泛應用的理想彈塑性模型——Mohr-Coulomb 模型。

Mohr-Coulomb 模型是按理想彈塑性定義。該行為假定對一般的巖土非線性分析來說結果是充分可靠的,因此,被廣泛用于模擬大部分巖土材料。

不同土體有不同的黏聚力和內摩擦角,這些參數對應于剪切強度方程。與其它土木材料不同,土體幾乎不抗拉,大部分情況下會發(fā)生剪切破壞。即,在自重或外力作用下,巖土內側會產生剪應力,隨著應力的增加應變也會增加,繼續(xù)發(fā)展就會沿著某個面破壞,這種破壞叫剪切破壞。剪應力引起抗剪行為和抗剪極限,即剪切強度。土的抗剪強度包括黏聚力和內摩擦角。

根據Mohr-Coulomb 準則,土的剪切強度按如下直線式表示。

式中 C——黏聚力;

σ——正應力;

φ——內摩擦角。

Mohr-Coulomb 模型屈服面函數為:

式中 φ——q-p 應力面上Mohr-Coulomb 屈服面的傾斜角,稱為材料的摩擦角,0°≤φ≤90°;

c——材料的黏聚力;

Rmc——按下式計算,其控制了屈服面在π 平面的形狀。

3.2 穩(wěn)定計算判別標準

圍巖穩(wěn)定性評價的控制性指標參考Q/HYDRO?CHINA 009—2012《水電站地下廠房設計導則》中表7.10.3 給出的地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價控制性指標。對于本工程調壓井開挖段,洞室埋深在0~300 m 之間,且以Ⅲ類圍巖為主,則對應的洞室周邊允許位移相對值在0.10%~0.50%之間,洞周塑性區(qū)或松弛區(qū)深度不大于洞室跨度的0.50~0.60倍時,圍巖整體穩(wěn)定[3]。

3.3 計算模型與圍巖參數

調壓井洞室開挖穩(wěn)定計算三維有限元模型如圖2 所示,調壓井一次支護措施單元如圖3 所示。

圖2 調壓井三維有限元計算體型圖

圖3 調壓井一次支護措施單元圖

高程1 009.5~977.0 m 之間Ⅳ類圍巖為主;高程977.0~892.5 m 之間、高程878.0 m 及以下Ⅲ類圍巖為主,局部為Ⅳ類圍巖;高程892.5~878.0 m 之間Ⅱ類圍巖為主,局部為Ⅲ類圍巖。圍巖材料參數見表1。

表1 圍巖材料參數

3.4 計算假定

(1)計算時圍巖材料參數為各向同性的材料。

(2)考慮調壓井采取鉆爆法施工,考慮井壁向外拓展5 m 范圍出現一個松動圈,松動圈內的圍巖類別降低一個量級,如開挖巖石為Ⅲ類圍巖,則松動圈內巖石為Ⅳ類圍巖。

(3)計算中,先開挖底部水平隧洞,而后從地面逐步向下開挖調壓井,按照施工提供的建議,調壓井開挖進尺假定為10 m,每向下開挖一個進尺,對上一個進尺范圍的圍巖進行噴錨支護,直到完成豎井開挖。

(4)根據地質提供的資料,節(jié)理、裂隙無處不在,本處未發(fā)現斷層和大范圍的結構面,計算時采用均一的彈塑性材料。

3.5 圍巖穩(wěn)定計算結果與分析

采用Mohr-Coulomb 本構模型對調壓井進行三維有限元計算,調壓井開挖后圍巖位移開展和塑性區(qū)的計算結果見表2。

表2 調壓井開挖后圍巖井壁位移和圍巖塑性區(qū)計算結果

由表2 可知,在設計支護條件下井壁順水流向位移最大值分別為2.02 cm,橫水流向位移最大值為1.65 cm,對應的調壓井側壁最大相對收斂值分別為0.126% 和0.103%,均在0.10%~0.50% 之間;調壓井塑性區(qū)順水流向最大開展深度為6.9 m,橫水流向最大開展深度分別為6.0 m,洞周塑性區(qū)深度與洞室跨度的比值分別為0.216 和0.188,均小于0.50~0.60,說明支護效果較好,圍巖整體穩(wěn)定。

3.6 圍巖內摩擦角敏感性分析

考慮爆破、融水、卸荷、不規(guī)則節(jié)理裂隙等因素對圍巖強度參數的影響,結合以往的工程經驗,將圍巖摩擦角降低30%,Ⅲ類圍巖摩擦角降低12°,Ⅳ類圍巖摩擦角降低9.6°,V 類圍巖摩擦角降低6.6°,凝聚力不變,圍巖井壁位移和圍巖塑性區(qū)計算結果見表3。

表3 降低圍巖凝聚力和內摩擦角計算結果

降低圍巖抗剪斷強度參數,圍巖的塑性區(qū)范圍出現明顯的增加,井壁單側位移小幅度的增加,井壁順水流向位移最大值為2.47 cm,橫水流向位移最大值為1.93 cm,對應的調壓井側壁最大相對收斂值分別為0.154%和0.121%,均在0.10%~0.50%以下;調壓井塑性區(qū)順水流向最大開展深度為9.5 m,橫水流向最大開展深度分別為9.1 m,洞周塑性區(qū)深度與洞室跨度的比值分別為0.297 和0.284,均小于0.50~0.60。在設計支護措施下,即使圍巖物理力學參數有一定比率下降,調壓井圍巖仍然保持穩(wěn)定,說明支護效果較好。

4 結 語

超大直徑調壓井開挖支護非常復雜,涉及因素眾多,計算分析難度大,需全面系統(tǒng)分析論證。本文通過對新疆某工程超大直徑調壓井開挖一次支護及圍巖穩(wěn)定進行深入分析研究,最終確定設計的開挖一次支護措施可有效保證圍巖整體穩(wěn)定,支護效果較好。

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