高 強

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

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在如火如荼地進行中。在大型水利水電、地下隧道工程施工過程中，地下洞室的開挖向著地球深部不斷擴展。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”，即高地應(yīng)力、高滲透壓、高溫狀態(tài)，且容易遭受強烈開采擾動。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)大變形和難支護的問題[1]。本文針對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體系，根據(jù)圍巖變形穩(wěn)定性來調(diào)整隧道的支護結(jié)構(gòu)[2-3]，通過數(shù)值模擬地下硐室開挖過程中的圍巖塑性區(qū)變化和斷面變形，利用收斂計監(jiān)測圍巖邊墻水平收斂和拱頂下沉，分析開挖過程中圍巖變形規(guī)律，對進一步的施工和設(shè)計進行指導(dǎo)，為今后相似地質(zhì)條件下的地下硐室圍巖支護提供一定的技術(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，廠房縱軸線方向為N10°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)則巖株狀侵入的燕山早期似斑狀黑云花崗巖為主，隧道圍巖等級劃分為II、IIIa級。主廠房頂拱跨度28.30 m，在開挖施工過程中存在高地應(yīng)力巖爆、大跨度頂拱、高邊墻變形等安全風(fēng)險，洞室施工過程中在巖壁左右拱角和底角出現(xiàn)聲音、開裂、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)人員和機械設(shè)備帶來重大安全隱患。為優(yōu)化支護設(shè)計參數(shù)，保證施工期安全，降低安全風(fēng)險，本工程通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對主廠房預(yù)應(yīng)力錨桿支護設(shè)計進行力學(xué)響應(yīng)模擬及現(xiàn)場圍巖收斂變形分析。

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挖施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5099-2011)等相關(guān)規(guī)范要求，針對該水電站主廠房硐室圍巖所處的工程地質(zhì)條件、主廠房開挖施工工序設(shè)計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，模擬主廠房開挖掘進過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-庫倫模型對巖石的破壞進行計算，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)場實際地應(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)見表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

隧道開挖后，未支護前總應(yīng)力云圖分布情況見圖1。由圖1可以看出，當主廠房開挖完成后，在隧道拱肩及拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析認為，當主廠房經(jīng)過開挖，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FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬主廠房開挖后未施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護前的情況，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)，見圖2。從主廠房開挖后的整體安全情況來看，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際工程施工過程中，在巖壁左右拱角和底角出現(xiàn)聲音、開裂、掉塊、巖面松弛、混凝土剝落、鼓脹等巖爆現(xiàn)象相吻合，說明該模型能夠較好模擬現(xiàn)場實際圍巖應(yīng)力情況。

圖2 主廠房開挖后塑性區(qū)分布

圖3為主廠房開挖后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，而隧道底板對工程實際影響不大，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 主廠房開挖后支護前Z方向應(yīng)力和位移云圖

圖4為主廠房開挖后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)力對稱分布，故僅對任意一處邊墻水平位移進行分析即可，本文以左邊墻中心位置水平位移進行分析。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。隨著時間推移和爆破開挖對圍巖的影響，主廠房左右邊墻水平收斂及拱頂下沉將會進一步加劇。

圖4 主廠房開挖后X方向應(yīng)力和位移云圖

2.2.2 施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護后主廠房變形分析

圖5為施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護后主廠房塑性區(qū)分布圖。由圖5可以看出，支護后塑性區(qū)與支護前主廠房塑性區(qū)相比范圍明顯縮小，說明預(yù)應(yīng)力錨桿支護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)力錨桿支護后塑性區(qū)分布

通過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)測點，可以準確記錄施加預(yù)應(yīng)力錨桿支護前后上述兩處位置的位移和應(yīng)力變化情況，并有效推測主廠房頂拱下沉及邊墻水平收斂情況,從而優(yōu)化設(shè)計錨桿支護參數(shù)，保證施工安全并在一定程度上優(yōu)化經(jīng)濟效益。由主廠房支護后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)力由支護前的0.220 9 MPa增加為0.221 3 MPa，說明施加預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效限制主廠房拱頂下沉，同時并改善了圍巖受力條件。

圖6 主廠房支護后Z方向位移和應(yīng)力云圖

通過主廠房支護后左邊墻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，但由支護前的0.609 2 mm降低為支護后的0.603 1 mm；而在圖7(b)中，左邊墻水平方向應(yīng)力由支護前的0.220 9 MPa增加為0.221 3 MPa，說明施加預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效限制左邊墻收斂變形，同時改善了圍巖受力條件。

圖7 主廠房支護后X方向位移和應(yīng)力云圖

2.2.3 支護前后主廠房圍巖變形模擬對比

表2為支護前后所記錄的頂拱及左邊墻中心位置位移數(shù)值。通過圖6、圖7和表2進行對比發(fā)現(xiàn)，施加預(yù)應(yīng)力錨桿可提供隧道圍巖支護阻力，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 主廠房支護前后頂拱及邊墻最大位移變化情況

通過對地下隧洞采取預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(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，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一步提高[4-6]。經(jīng)過大量的工程實踐檢驗，錨噴支護提供的柔性支護將圍巖本身作為承載主體，發(fā)揮了圍巖的自承能力，從而達到圍巖支護體系的聯(lián)合承載效果。

3 主廠房圍巖收斂變形現(xiàn)場實測

3.1 監(jiān)測概況及原理

為保障施工期的工程安全和施工安全，對隧道斷面變形進行專項監(jiān)測。依據(jù)《水利水電工程施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5308-2013)進行監(jiān)測和管理。參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，選取地質(zhì)及支護狀態(tài)觀測、隧道拱頂下沉及隧道水平收斂量測作為必測項目。監(jiān)測內(nèi)容見表3。當變形超過管理位移時，則應(yīng)及時上報監(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)變形過大而造成安全事故的發(fā)生。

表3 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及量測方法

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、支護形式及圍巖的時間和空間效應(yīng)等因素，決定選取主廠房(廠橫)0+020、0+050、0+080共3個樁號作為水平收斂觀測斷面，儀器設(shè)備采用高精度水準儀及標尺或數(shù)顯式收斂儀，監(jiān)測精度為0.01 mm。主廠房開挖水平收斂及拱頂下沉測點布置圖見圖8。

圖8 主廠房開挖水平收斂及拱頂下沉測點布置圖

監(jiān)測注意事項:①拱頂下沉監(jiān)測采用高精度水準儀及其標尺；水平收斂量測采用數(shù)顯式收斂儀；②在施工初期監(jiān)測階段，或地質(zhì)條件較差或變形量及速率較大時，適當增加量測斷面及量測頻率；③測點設(shè)置應(yīng)可靠，并應(yīng)妥善保護，測量儀器使用前應(yīng)嚴格標定；④各測量項目應(yīng)盡可能布置在同一斷面，測量點應(yīng)盡可能選擇具有代表性的地方，以便測量數(shù)據(jù)的分析及為以后的工作提供經(jīng)驗[11-14]。

3.2 圍巖變形監(jiān)測結(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)合實際工程地質(zhì)情況及現(xiàn)場施工情況，根據(jù)主廠房(廠橫)0+020、0+050、0+080共3個樁號水平收斂觀測斷面，分別計算2020年6月2日至7月27日共計8周56天的水平收斂變化情況，整理分析這段時間內(nèi)收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)及其現(xiàn)場資料，繪制周邊收斂時程曲線，見圖9。圖9中，正值表示周邊收斂，負值表示周邊擴張。

圖9 水平收斂歷史曲線

對周邊收斂時程曲線(圖9)進行分析，將其分為“初始變化-緩慢變化-急劇變化-趨于平穩(wěn)”4個階段，對應(yīng)圖9中A、B、C、D共4個分段。隧道初期開挖支護完成后，在2020年6月2-8日期間，主廠房左右邊墻位移變化量較大，趨勢見圖9中A分段所示。經(jīng)歷一周左右時間后，在6月8-14日期間，左右邊墻位移出現(xiàn)緩慢增加階段，具體變化見圖9中B分段所示。6月14日，主廠房開始進行中部拉槽和邊墻擴挖，后續(xù)數(shù)周主廠房經(jīng)歷數(shù)次開挖爆破影響，此時左右邊墻位移出現(xiàn)圖9中C段所示變化趨勢。分析認為，連續(xù)數(shù)周的高頻次爆破開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的混凝土出現(xiàn)小的開裂及部分剝落，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。開挖爆破完成后，施工項目部針對以上監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù)，及時采取錨噴加固措施。進入7月14日后，收斂變形趨于平穩(wěn)，變化見圖9中D分段所示。

3.2.2 頂拱下沉

通過K0+020和K0+080兩斷面測點頂拱下沉歷史曲線(圖10)進行分析研判，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個階段。其中，主廠房(廠橫)K0+020樁號屬于IIIa類圍巖，開挖及初期支護完成后，拱頂下沉速率較大；錨噴支護約3周后下沉速率減小，下沉趨勢變緩。隨著6月底開始進入汛期，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)致初期支護的混凝土脫落掉塊。針對以上情況，進行混凝土補噴，下沉速率減小，變形量得到控制，此后約一周后基本達到穩(wěn)定。對于K0+080樁號所屬的II類圍巖變形，初期支護完成30 d后，拱頂下沉速率有增加的趨勢，表現(xiàn)為與IIIa類相似的變化趨勢，分析認為隧道內(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

本文針對某水電站主廠房現(xiàn)場地質(zhì)條件和具體施工情況，通過應(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)力錨桿支護前后圍巖變形，以及運用收斂測量儀等儀器對現(xiàn)場圍巖變形進行量測，獲得如下幾點結(jié)論：

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

2) 隧道錨噴支護可以最大限度地緊跟開挖工作面施工，最大限度地利用圍巖自承能力，可以限制圍巖進一步變形收斂，阻止圍巖進入松弛狀態(tài)。

3) 隧道錨噴支護應(yīng)及時迅速，甚至在開挖前進行超前支護，運用噴射混凝土的早強和全面密貼性能，可以保證隧道圍巖支護的及時性和有效性，達到圍巖支護體系的聯(lián)合承載效果。

4) 隧道開挖完成后，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個階段，但是急劇變化階段卻發(fā)生在不同時間段內(nèi)。分析認為，周邊收斂有急劇變化的趨勢其原因是高頻次的爆破開挖影響，拱頂下沉有急劇變化的趨勢其原因是隧道內(nèi)涌水量的增加。