孟 真，蘇 超，付 東，李 碩

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

洞室圍巖穩(wěn)定性是地下工程建設(shè)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題，如何選擇合適的時(shí)機(jī)施作支護(hù)對(duì)于維持地下巖體穩(wěn)定有重要意義。新奧法是現(xiàn)代地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)的基本理念，即充分發(fā)揮圍巖自承能力，及時(shí)施作錨桿和噴射混凝土等薄層柔性結(jié)構(gòu)，起到加固圍巖、控制變形的作用。支護(hù)過早，圍巖自承能力未得到發(fā)揮，支護(hù)承壓過大；支護(hù)過遲，圍巖易變形過度而失穩(wěn)破壞，支護(hù)未發(fā)揮有效作用[1]。因此，研究確定初期支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)，可以達(dá)到保障施工安全和降低支護(hù)成本的雙重目的。學(xué)術(shù)界從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料、巖石理論公式和數(shù)值模擬分析等入手，對(duì)如何確定最佳支護(hù)時(shí)機(jī)展開深入探索。支護(hù)時(shí)機(jī)主要有2種表述方式：一是廠房某處圍巖施作支護(hù)的最佳時(shí)間；二是開挖面與支護(hù)施作斷面的距離[2]。趙旭峰等[3]將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，得出深部軟巖隧道施工過程中的時(shí)空變化規(guī)律；王小軍[4]借助經(jīng)驗(yàn)公式法及數(shù)值模擬法，分析某隧洞開挖支護(hù)過程中圍巖的變形規(guī)律；楊建平等[5]結(jié)合小凈距隧道的施工特點(diǎn)，利用有限元軟件ABAQUS研究小凈距隧道在不同荷載釋放比例下施作支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響；李術(shù)才等[6]通過數(shù)值分析及模型試驗(yàn)，研究臺(tái)階法開挖過程中隧道主要特征點(diǎn)的荷載變化規(guī)律；白琦等[7]基于三維彈塑性損傷模型，研究開挖荷載釋放率增大和掌子面向前推進(jìn)時(shí)的圍巖變形規(guī)律；蘇凱等[8]以開挖荷載釋放率和掌子面與監(jiān)測(cè)斷面間的距離為控制參數(shù)，提出基于位移完成率的最佳初次支護(hù)時(shí)機(jī)選擇方法。

上述研究對(duì)分析開挖支護(hù)過程中的圍巖變形規(guī)律起到了重要的推動(dòng)作用，但目前對(duì)于初期支護(hù)時(shí)機(jī)的分析仍停留在定性階段，未能提供具體可靠的選擇方法指導(dǎo)工程實(shí)踐。為此，本文基于巖石材料非線性本構(gòu)關(guān)系，利用ABAQUS建立某抽水蓄能電站地下廠房三維數(shù)值模型，將掌子面與分析斷面的距離作為主要控制變量，分析不同時(shí)間施加支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，從而確定可以兼顧穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的最佳初期支護(hù)時(shí)機(jī)，達(dá)到維持圍巖穩(wěn)定、降低施工成本的目的，為同類工程建設(shè)提供定量參考。

1 模型建立

1.1 工程概況

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為1 500 MW，額定發(fā)電水頭642 m。樞紐建筑物由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面開關(guān)站等組成，采用中部布置方式。地下廠房開挖尺寸為173 m×25.8 m×57.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，廠房頂拱開挖高程1 304.5 m。廠區(qū)內(nèi)發(fā)育有5條對(duì)圍巖穩(wěn)定有影響較大的斷層，主要由糜棱巖和碎裂巖組成，其中有2條SW向斷層(F67、F79)、2條NE向斷層(F71、F96)和1條NW向斷層(F88)。F71、F96斷層在廠房頂拱處破碎帶較寬，影響寬度約為1 m。廠房洞室圍巖類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，局部斷層帶為Ⅳ類。頂拱層開挖區(qū)與斷層相對(duì)位置見圖1。

圖1 頂拱層開挖區(qū)與斷層相對(duì)位置

1.2 有限元三維模型

主廠房軸線方向?yàn)閄軸，指向副廠房方向?yàn)檎?；垂直于主廠房軸線水平方向?yàn)閅軸，指向主變室方向?yàn)樨?fù)；豎直方向?yàn)閆軸，向上為正。計(jì)算模型的范圍邊界為：①上、下游向邊界。從地下廠房洞室上游邊墻向上游延伸200 m，從尾閘室下游邊墻向下游延伸300 m。②廠房軸線方向邊界。從地下廠房?jī)啥说?、2號(hào)通風(fēng)機(jī)室的左、右端墻向兩側(cè)延伸200 m。③鉛直向邊界。上至地表，下至高程1 100 m。除山體頂部為自由邊界外，四周施加法向約束，山體底部施加3個(gè)方向約束。本次數(shù)值模擬的基本假定為：①工程巖體按各向同性、非線性材料考慮。②不考慮溫度荷載、地震荷載和地下水的影響。③僅模擬初期支護(hù)。計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為239 813個(gè)，單元數(shù)為1 208 694個(gè)，為四面體10節(jié)點(diǎn)單元。本次數(shù)值模擬分析使用ABAQUS通用有限元程序，基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，混凝土襯砌采用殼單元模擬，錨桿采用桿單元模擬。

1.3 初始地應(yīng)力

根據(jù)抽水蓄能電站廠房區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，采用最小二乘法進(jìn)行多元線性回歸分析，反演得到計(jì)算區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)回歸方程為

σ地=1.06σ自+5.05σX+6.82σY+0.033σXY

式中，σ地為初始地應(yīng)力場(chǎng)；σ自為自重應(yīng)力；σX、σY分別為X、Y方向的水平擠壓構(gòu)造應(yīng)力；σXY為XY平面內(nèi)的剪切應(yīng)力。計(jì)算區(qū)域初始地應(yīng)力場(chǎng)分布范圍見表1。

表1 計(jì)算區(qū)域初始地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)布范圍 MPa

1.4 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

根據(jù)洞室圍巖地質(zhì)勘探資料，參照工程巖體分級(jí)參數(shù)，本次數(shù)值分析采用的巖體及支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖體及支護(hù)材料基本物理力學(xué)參數(shù)

本次研究?jī)H模擬主廠房頂拱層開挖過程，分別考慮掌子面與支護(hù)施作位置的距離Xdel=5、10、15、20、25、30 m時(shí)頂拱層圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。頂拱層松弛深度取6 m，相應(yīng)對(duì)松弛區(qū)巖體進(jìn)行力學(xué)參數(shù)折減。各工況下頂拱層松弛區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 各工況下頂拱層松弛區(qū)巖體的基本物理力學(xué)參數(shù)

地下廠房頂拱跨度27.3 m，開挖過程分3部分進(jìn)行：中導(dǎo)洞按上下臺(tái)階法領(lǐng)先開挖，兩側(cè)導(dǎo)洞擴(kuò)挖跟進(jìn)。施工過程：開挖上部臺(tái)階①→開挖下部臺(tái)階②→開挖左右側(cè)導(dǎo)洞③。上、下臺(tái)階距離15 m，中導(dǎo)洞初期支護(hù)閉合后開挖側(cè)導(dǎo)洞。上臺(tái)階初期支護(hù)Ⅰ和側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)Ⅱ按照各工況要求在相應(yīng)時(shí)機(jī)施作。為便于分析，以3號(hào)機(jī)組中剖面為分析斷面，在頂拱洞周選取3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。分部開挖支護(hù)過程及頂拱關(guān)鍵點(diǎn)位置見圖2。

圖2 頂拱施工過程及關(guān)鍵點(diǎn)位置

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 圍巖位移

開挖過程中分析斷面的拱頂關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化，各工況下拱頂關(guān)鍵點(diǎn)NO.1拱頂豎向沉降見圖3。從圖3可知，隨著掌子面的不斷推進(jìn)，分析斷面處圍巖變形先后經(jīng)歷變形微小、變形加劇、變形減慢、變形穩(wěn)定4個(gè)發(fā)展階段。掌子面距分析斷面15 m左右時(shí)，拱頂已開始產(chǎn)生微小沉降；掌子面距分析斷面5 m左右時(shí)，沉降速率顯著增大；分析斷面中導(dǎo)洞上部臺(tái)階開挖完成后，拱頂沉降速率達(dá)到最大值；隨著下部臺(tái)階的開挖，拱頂繼續(xù)向下沉降，圍巖變形速率逐漸減小；側(cè)導(dǎo)洞開挖完成后，拱頂繼續(xù)向下沉降，但圍巖變形速率顯著減小，拱頂沉降集中在分析斷面前10 m至后25 m左右區(qū)域。

圖3 各工況下拱頂關(guān)鍵點(diǎn)NO.1拱頂豎向沉降

各工況下上游拱座關(guān)鍵點(diǎn)NO.2橫向變形見圖4。從圖4可知，由于受到中導(dǎo)洞開挖擾動(dòng)的影響，中導(dǎo)洞掌子面距分析斷面15 m左右時(shí)，拱座已開始產(chǎn)生微小收縮；中導(dǎo)洞開挖完成后，拱座收縮變形速率顯著增大；側(cè)導(dǎo)洞開挖完成后，拱座收縮變形速率達(dá)到最大值；拱座收縮變形集中在分析斷面前20 m至后5 m左右區(qū)域。側(cè)導(dǎo)洞掌子面距分析斷面20 m左右時(shí)，拱座向外擴(kuò)張，但量值微小，此后變形基本趨于穩(wěn)定。

圖4 各工況下上游拱座關(guān)鍵點(diǎn)NO.2橫向變形

各工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，隨著初期支護(hù)施加時(shí)間的不斷滯后，分析斷面的拱頂沉降值和拱座收縮值不斷增大。施加支護(hù)后，圍巖變形速率減小。各工況下頂拱關(guān)鍵點(diǎn)支護(hù)前的最大位移見表4。從表4可知，隨著支護(hù)時(shí)間的滯后，關(guān)鍵點(diǎn)支護(hù)前最大位移的量值不斷增大，說明支護(hù)過晚對(duì)控制圍巖變形作用不大。各工況下拱頂及拱座的最大變形及增幅見表5。從表5可知，與工況1相比，工況2的拱頂沉降值增大2.09%，上、下游拱座收縮值分別增大1.22%、2.85%；其他工況的增長(zhǎng)幅度均較小。由此可見，工況1對(duì)圍巖變形的控制效果最好。

表4 各工況下頂拱層關(guān)鍵點(diǎn)支護(hù)前最大位移

圖5 不同工況下頂拱圍巖的塑性區(qū)分布

2.2 圍巖塑性區(qū)

圖5為分析斷面不同工況下頂拱圍巖的塑性區(qū)分布。從圖5可知，頂拱層開挖完成后，拱頂及底板出現(xiàn)塑性區(qū)，最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在拱頂處，拱座部位未出現(xiàn)塑性變形。為維持圍巖穩(wěn)定，建議對(duì)底部土體采取臨時(shí)加固措施，以增強(qiáng)工程安全性。

圖6為6種工況下頂拱層圍巖塑性區(qū)發(fā)展對(duì)比。從圖6可知，隨著支護(hù)時(shí)間的滯后，頂拱層圍巖的塑性區(qū)發(fā)展深度和最大等效塑性應(yīng)變均隨之增大。各工況下，拱頂圍巖塑性區(qū)最大發(fā)展深度約為4.95 m，小于錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度8 m，因此在設(shè)計(jì)支護(hù)時(shí)可適當(dāng)減小錨桿長(zhǎng)度以降低成本。

圖6 不同工況下頂拱圍巖的塑性區(qū)發(fā)展對(duì)比

表6為各工況下拱頂塑性區(qū)面積及增長(zhǎng)幅度。從表6可知，與工況1相比，工況2塑性區(qū)面積增大12.37%，其他工況的增長(zhǎng)幅度均較小。由此可見，頂拱支護(hù)時(shí)間越滯后，圍巖塑性區(qū)范圍、最大等效塑性應(yīng)變量值及塑性區(qū)面積均越大，工況1對(duì)控制圍巖塑性變形的效果最為顯著。

表6 各工況下拱頂塑性區(qū)面積及增幅對(duì)比

圖7 工況2開挖過程中圍巖壓應(yīng)力集中區(qū)域分布變化

2.3 圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力

根據(jù)不同開挖步圍巖主應(yīng)力分布云圖可以分析開挖過程中圍巖應(yīng)力集中區(qū)分布的變化規(guī)律，以工況2為例，中導(dǎo)洞上、下臺(tái)階及側(cè)導(dǎo)洞開挖結(jié)束后圍巖主壓應(yīng)力分布位置變化見圖7。從圖7可知，上臺(tái)階開挖完成后，開挖斷面拐角處出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為-27.59 MPa；下臺(tái)階開挖完成后，圍巖應(yīng)力重分布，壓應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在中導(dǎo)洞拐角處，最大壓應(yīng)力為-33.74 MPa；左右兩側(cè)導(dǎo)洞開挖結(jié)束后，壓應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到拱座處，最大壓應(yīng)力為-36.42 MPa。整個(gè)開挖過程中，圍巖的最大壓應(yīng)力均小于巖體的抗壓強(qiáng)度。

開挖過程中，分析斷面各關(guān)鍵點(diǎn)的主壓應(yīng)力變化見圖8。從圖8可知，掌子面距分析斷面15 m左右時(shí)，圍巖受開挖擾動(dòng)發(fā)生松動(dòng)，拱頂圍巖主壓應(yīng)力開始減小，各工況的減小值在1.88 MPa以內(nèi)；掌子面距分析斷面5 m左右時(shí)，圍巖應(yīng)力重分布，分析斷面拱頂圍巖主壓應(yīng)力增大，主要是由于掌子面朝洞室凈空方向產(chǎn)生縱向水平鼓出變形所導(dǎo)致，但增大值不超過2 MPa；分析斷面開挖完成后，拱頂部位圍巖卸荷松動(dòng)，主壓應(yīng)力迅速減小，相較于初始地應(yīng)力值，最大減幅為51.68%，拱頂圍巖應(yīng)力調(diào)整的主要位置在分析斷面前15 m至后5 m左右區(qū)域。由于受到中導(dǎo)洞開挖擾動(dòng)的影響，中導(dǎo)洞開挖面推進(jìn)到分析斷面時(shí)，拱座處圍巖主壓應(yīng)力開始增大，但量值微??；側(cè)導(dǎo)洞開挖完成后，分析斷面拱座處圍巖壓應(yīng)力顯著增大，相較于初始地應(yīng)力值最大增幅為120.72%，拱座圍巖應(yīng)力調(diào)整的主要位置在分析斷面前10 m至后20 m左右區(qū)域。各工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，支護(hù)時(shí)間越滯后，拱座處圍巖主壓應(yīng)力越大。

圖8 各工況下關(guān)鍵點(diǎn)主壓應(yīng)力變化

支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的總體特征為：襯砌壓應(yīng)力水平較高區(qū)域主要分布在拱頂處；中導(dǎo)洞支護(hù)完成后，初期支護(hù)Ⅰ中錨桿的最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱頂處(圍巖豎向沉降變形最大部位)；全斷面支護(hù)完成后，初期支護(hù)Ⅰ中錨桿的最大拉應(yīng)力從拱頂轉(zhuǎn)移到拱肩處，初期支護(hù)Ⅱ中錨桿的最大拉應(yīng)力也出現(xiàn)在拱肩處(圍巖橫向收縮變形最大部位)。錨桿最大拉應(yīng)力值集中出現(xiàn)在1 228 959、1 229 400、1 231 694、1 230 204、1 231 689、1 230 338幾個(gè)單元處。各工況下最大拉應(yīng)力錨桿位置見圖9。

圖9 各工況下最大拉應(yīng)力錨桿位置

表7、8為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大受力情況及降幅對(duì)比。從表7、8可知，初期支護(hù)施加過遲，錨桿所受的拉力和襯砌所受的壓力均較小，初期支護(hù)未充分發(fā)揮作用，不滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

表7 各工況下錨桿最大拉應(yīng)力及降幅

表8 各工況下襯砌最大壓應(yīng)力及降幅

根據(jù)各工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，初期支護(hù)時(shí)間越滯后，襯砌最大壓應(yīng)力值和錨桿最大拉應(yīng)力值均越小。說明支護(hù)過遲，支護(hù)結(jié)構(gòu)未充分發(fā)揮作用。工況1和工況2的支護(hù)受力情況與工程實(shí)際需要較為符合，實(shí)現(xiàn)了兼顧穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的理想支護(hù)效果。

3 結(jié) 語

本文基于非線性有限單元法，以某抽水蓄能電站為工程背景，采用分部開挖法對(duì)大跨度水電站地下廠房頂拱層開挖支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同支護(hù)時(shí)機(jī)下洞周圍巖的穩(wěn)定性，主要得出以下結(jié)論：

(1)不同支護(hù)時(shí)機(jī)下頂拱層圍巖開挖響應(yīng)的規(guī)律基本一致，拱頂豎向變形較大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；分部開挖過程中，中導(dǎo)洞邊墻與拱肩、底板交界處出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)，開挖結(jié)束后，兩側(cè)拱座出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，但均小于巖體的抗壓強(qiáng)度；拱頂部位和底部土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，在開挖過程中應(yīng)對(duì)拱底采取一定的加固措施。

(2)隨著支護(hù)時(shí)機(jī)的滯后，圍巖最終變形量和塑性區(qū)范圍都隨之增大。Xdel從5 m增加至30 m，拱頂豎向沉降值從31.65 mm增長(zhǎng)至33.52 mm，最大等效塑性應(yīng)變從1.735×10-2增長(zhǎng)至2.004×10-2。

(3)支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)錨桿和襯砌受力影響較大，支護(hù)過遲，錨桿最大拉應(yīng)力和襯砌最大壓應(yīng)力均較小，表明圍巖已進(jìn)入自穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)未充分發(fā)揮作用。根據(jù)分析結(jié)果可知，Xdel位于5～10 m區(qū)段時(shí)為最佳支護(hù)時(shí)段。