大型地下洞室群施工开挖方案及围岩稳定分析
摘 要：
以构皮滩地下厂房洞室群为工程背景，应用三维弹塑性有限元法，比较分析了三大洞室（主厂房、主变室、尾调室）所拟定3种不同的施工开挖方案对地下洞室群围岩变形及破坏发育程度的影响，基于围岩稳定优选了地下洞室群的开挖方案，为施工设计和现场施工提供了较为可靠的依据。
关键词：地下洞室；围岩稳定；开挖顺序；有限元；构皮滩水电站
在大型水利水电工程中地下厂房洞室群体的规模往往较大，结构复杂。大多由二大洞室或三大洞室以及它们间的许多联络的通道组成。在复杂地层中开挖这类地下工程群体，洞室的开挖顺序和方案对围岩稳定的影响至关重要。然而，地下洞室的施工开挖，从力学上来讲，这一过程往往是不可逆的非线性演化过程，它的最终状态(或最终解)不是唯一的，而是与过程相关，或说是与应力路径或应力历史相关的[1]。因此，对已定岩体环境下，不同的地下洞室开挖顺序就意味着在时空上以不同的方式对围岩施加荷载，从而决定施工期内围岩的洞周位移和塑性区的分布。
本文基于弹塑性围岩理论，采用三维非线性有限元法，在确定的地应力环境条件下，研究构皮滩水电站主厂房、主变洞、尾调室等主要洞室分级开挖过程中围岩的变形和破坏发育程度。同时，对3种开挖方案的异同进行分析比较，从开挖过程围岩稳定的角度对不同的开挖方案的可行性进行了评价，并优选最佳方案。
1 工程及地质概况
构皮滩水电站是乌江干流梯级开发大型骨干工程，其地下发电厂房枢纽是一大型地下洞室群。其中主厂房洞室开挖尺寸：229.45m×27m×77.44m；主变洞开挖尺寸为178.27m×15.8m×18.94m；走廊式尾调室开挖尺寸为172.5m×19.3m×99.6m。另外还有5条发电引水洞、5条母线洞、5条尾水管以及3条尾水洞，使整个地下洞室群庞大且错综复杂。整个洞室群布置区总体地形为向乌江倾斜的斜坡，地势西高东低，地面高程一般为700～820m，厂房洞室埋深一般为260～315m，其NE侧端墙距河岸约250m。地下洞室群穿越的地层，岩性主要分别为二迭系吴家坪组（P2w）、茅口组（P1m）、棲霞组（P1q）灰岩为I—II类围岩，梁山组（P1L）、志留系韩家店组（S2h）粘土岩为V类围岩，其它为III—IV类围岩。主厂房围岩为～层，除层及P111?mP21qP41qP31q层围岩中炭、泥质生屑灰岩为中硬岩外，其余均为坚硬岩。岩层走向30°～35°，倾向NW，倾角45°～48°，主厂房轴线与岩层走向交角40°～45°。主厂房部位分布有较多的规模较大的层间错动带，宽度一般为5～20cm。
2 计算模型
对构皮滩地下洞室群进行三维弹塑性有限元计算模拟，计算范围取计算范围取450m×400m×400m，计算区域包含了引水洞、主厂房、副厂房、安装间、母线洞、主变洞、尾水洞、调压井。区域内地层有P2w1-1、P1m2-3、P1m2-2、P1m2-1、P1m1-3、P1m1-2、P1m1-1、P1q4、P1q3、P1q2、P1q1、P1l、S2h1-2、S2h1-1 、S1sh2、S1sh1。另外，还模拟了穿越地下洞室的6条层间错动带Fb82、Fb88、Fb93、Fb81、Fb54、Fb59和1条破碎夹层Ⅲ01。Ｘ轴与厂房纵轴线垂直指向下游为正；Ｙ轴铅直向上为正；Ｚ轴与厂房纵轴线平行，与Ｘ、Ｙ轴成右手坐标系。
本模型采用八节点六面体单元，对断层穿过的单元将其物理性质进行弱化来模拟断层的作用。三维计算区域总共剖分17 7729个单元，节点总数为18 7023个。三维整体模型计算网格见图１。地下计算中对计算区模型的左边界（X＝0m）、前面边界（Z＝-260m）为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的底面（Y＝0 m）也为约束边界，仅约束垂直方向的位移；模型的后面（Z=140m）、右面边界（X＝450m）为荷载边界；模型的顶面施加由上部岩层产生的重力考虑。根据地勘报告并进行了三维地应力场回归反演得出初始地应力场[2]，计算时铅直方向按自重应力场施加，X向的侧压系数取0.8，Z向的侧压系数取1.2。
对埋深较大地区的岩体一般表现出弹塑性性质，因而在研究埋深为300～400m的地下厂房采用弹塑性本构模型。由于Drucker-Prager准则考虑了围岩静水压力对屈服特性的影响，并且能反映剪切引起膨胀的性质，因而在模拟岩石材料的弹塑性性质中广泛应用。本文的围岩稳定分析采用D—P准则[3]，其屈服函数f 为：
式中：I1与J2 分别为第一应力不变量与第二偏应力不变量; α 与k为材料常数;? 为内摩擦角;C为内聚力。围岩进入塑性区后，每一点的库仑—莫尔圆都是不同的。莫尔包络线为一组具有相同? 但C不同的平行直线。可见C的变化对计算结果影响很大。故在计算过程中，当围岩进入塑性区后，内聚力C取平均值，即：
式中：C0为初始粘结力；CS为残余粘结力。
计算中所取岩体力学参数见表1 。
3 初拟地下洞室群开挖方案
由于施工条件的限制，洞室群的开挖不可能全断面一次开挖成型，而必须采取分期分块的开挖方式，对于复杂地下洞室群的施工实际上是一个非线性加载过程，即是岩体施工力学的动态过程[4]。因此地下洞室群不同部位分期分块开挖的组合对洞室的完建和稳定有十分重要的影响。设计中考虑地下洞室群施工工期仿真模拟研究成果，结合施工现场具体条件以及考虑经济、快速等因素，初步拟定3种代表性的开挖方案并进行三维弹塑性有限元计算分析。
方案1：先开挖主厂房1步后，再同时开挖主厂房和尾水调压室，后开挖主变室。
方案2：先开挖主厂房，再开挖主变室，后开挖尾水调压室（拟二滩水电站地下厂房实际开挖程序）。
方案3：先开挖主厂房1步后，主厂房、主变室和尾水调压室同时开挖。
3种开挖方案分期分块开挖施工示意图见图3～图5
4 不同开挖方案的围岩变形与破坏发育程度
4.1 围岩的变形特征
由于构皮滩水电站的地下洞室群埋深较大，整个开挖过程中，由于应力释放，围岩产生指向洞室内部的回弹变形，顶拱及底板以竖向位移为主，边墙以水平位移为主。同时，随着洞室群的不断开挖，受扰动的围岩的范围不断增大，同时洞室群最大位移量值也从低量值向高量值变化。另外，随着开挖断面的不断增大和母线洞、尾水管的开挖，各个洞室的变形影响区从相对独立发展到各洞室的变形场连接为统一的洞室群变形场，表现出等值线向洞室群中心偏转的特征。3种方案3大洞室开挖后周边各部位最大位移计算值见表2。
表2 3大洞室开挖后周边各部位最大位移值 (cm)由表2可知：①在3种开挖方案中，主厂房边墙的最大位移值均发生在2号机组中心线附近下游边墙中部，因为在此处有Fb54断层穿过，加之母线洞的开挖增加了相应变形位移的临空面，所以产生较大的位移。②主厂房顶拱的最大位移值和底板回弹变形值沿厂房纵轴向变化不大，变幅在5mm之内。由于主变室的边墙高度相对于主厂房和尾水调压室较低，3种开挖方案中上下游边墙最大位移值均小于顶拱的最大位移值，也都出现在主变洞与母线洞的两洞交接临空面较大处。③尾水调压室的跨度与边墙的比值相对于主厂房和主变室较小，因此，在3种开挖方案中尾水调压室的顶拱和边墙的最大位移值均小于另外两大洞室。④对比方案2和方案1、方案3可以看出，方案2的3大洞室的周边最大位移值都较另外2种方案要大，这是由于方案2的分步开挖步数要比另外2种方案多了6步或8步，其对围岩的扰动较大，围岩的位移速度和应变速度越慢，从而洞室周边位移值较大。
4.2 围岩的破坏发育情况
围岩的破坏发育形式主要有3种：①完整岩体的拉裂破坏（可能呈现单向、双向、三向拉裂状态）②沿优势裂隙面方向的定向破坏③沿软弱结构面的破坏[5,6]。围岩的稳定性在很大程度上是受结构面控制的，同时岩体及结构面参数的选取对于判断围岩稳定性也起决定性作用。
不同的开挖方案计算结果表明，3种方案最终的塑性区分布规律基本上相同。主厂房和主变洞的周边均存在塑性区，尾水调压室的高边墙也出现塑性区。在开挖过程中，顶拱出现的塑性区分布并不随着后期施工的影响而扩展，但边墙的塑性区受后期开挖施工的影响较大，因为随着整个洞室群分步开挖的进行，高边墙和各洞室交叉部位逐渐开挖形成多个临空面,从而使塑性区得以发展并快速扩大，并形成塑性贯通区，这说明该工程施工过程主要是高边墙的稳定问题。各方案开挖完成后塑性区分4.3 地下洞室群围岩稳定性总体评价及方案选择采用三维非线性有限元法，对3种不同的开挖方案进行分析计算表明，构皮滩地下洞室群开挖后洞室周边围岩的位移和塑性区分布符合一般规律。顶拱、边墙和底板等工程部位的最大位移值均在工程安全允许范围内。但应注意以下几个方面：
(1)开挖过程中,前期开挖断面上的位移受后期施工的影响而变化。同时位移值的大小也受施工开挖步数的影响，开挖步数越多，洞室周边位移值也较大。所以在施工条件许可的情况下,应尽量减少开挖次数以及从空间上错开洞室间施工的相互影响。
(2)开挖顶拱时,拱顶出现的塑性区并不随后期施工的影响而扩展,而边墙塑性区的扩展易受其影响，甚至会出现大面积的贯穿。所以在实际施工中应注意观测和支护。
(3)断层对塑性区分布有一定的影响。在开挖过程中，断层穿过的部位会首先出现塑性变形，并在此基础上开展。从结果来看，断层穿过的地方也是塑性区连通的部位。因此在开挖断层出露部位时应进行预处理和加固措施。
(4)在洞室群的两洞相交处开挖时，由于会形成较大临空面，易产生较大的变形，特别是母线洞的开挖，极易会使主厂房和主变洞的塑性区相贯通，所以应加强观测和重点支护。
(5)从3种开挖方案最终的塑性区面积来看，方案3的面积相对较小，所以从空间角度上方案3对围岩稳定较为有利。
5 结论
构皮滩水电站地下厂房洞室群3种开挖方案计算分析表明，采用从上而下的分期开挖的施工方式，洞室围岩的变形稳定性未出现异常现象。但在洞室群的两洞相交处，临空面较大以及在岩体节理和劈理发育的部位，如在断层出露部位，围岩稳定问题相对突出。所以，在施工中应着重监测这些部位的情况，注意合理支护。
从总体上看，3个开挖方案随着开挖级数的增加，对围岩的扰动越大，围岩变位和破坏发育程度也随之增大。所以在施工条件许可的情况下,应尽量减少开挖次数以及从空间上错开洞室间施工的相互影响。采用数值仿真计算的方法能较真实的反映地下厂房洞室群分级开挖的全过程中围岩的变位及破坏发育情况,为优化开挖与加固设计提供有力的依据,也为地下洞室的施工方案的选择提供有力的依据。
