高地应力地下厂房洞室群围岩稳定分析

张罗彬，李治国，刘畅

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

随着我国地下空间开发建设的发展，地下洞室埋藏深度不断增大，地质条件愈加复杂，高地应力对围岩稳定性影响问题越来越突出。近年来，人们虽然对高地应力条件下深埋地下洞室围岩的破坏形态、破坏机制及稳定性评价进行了大量研究，但至今尚存在不同认识。笔者以某水电站地下发电厂房洞室群稳定分析为研究对象，对高地应力条件下深埋地下洞室脆性围岩稳定性分析方法进行了初步探讨，并用模型试验对分析成果进行了验证，为深入研究作借鉴与参考。

1 工程概况

某水电站位于四川省境内的大渡河上，总装机容量2000 MW。电站地下厂房洞室群位于左岸山体内，主要包括主厂房、主变室及尾水调压室等。主厂房顶拱开挖跨度28.3 m，开挖高度67.3 m;主变室开挖跨度20 m，开挖高度35.7 m;尾水调压室开挖跨度20 m，开挖高度76 m。

厂址区河谷属高山峡谷地形，两岸山体雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，临江坡高达1000 m 以上，左岸坡度为35°～50°，右岸为45°～60°，呈略不对称的“V”型谷。

地下厂房洞室群水平埋深大于400 m，垂直埋深大于600 m。洞室群围岩以黑云钾长花岗岩为主，岩性单一，岩体强度较高，厂区无大规模断层、构造带和软弱岩带分布。岩体结构面不发育，完整性较好，呈块状～整体状结构，属于以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主的脆性岩石。最大主应力σ1与厂房纵轴线夹角约15°。地下水活动微弱，局部洞壁有渗、滴水。厂房地处高应力区，实测最大主应力约38 MPa。由高地应力引起的岩爆等岩石脆性破坏现象在前期施工的地下洞室中非常普遍，其中规模最大的一次破坏造成洞室(开挖断面尺寸为19 m×20 m)边墙中上部垮塌长度超过70 m，最大深度达2 m。地下厂房围岩物理力学参数值见表1。

2 围岩稳定性分析

表1 地下厂房洞室围岩物理力学性质指标建议值表

2.1 高地应力下围岩的破坏特性

高地应力是一个相对的概念，其形成与岩体埋深、地质构造、岩体强度及岩石弹模等因素有关。在工程实际中，通常将岩体的初始地应力大于20 MPa 时称为高地应力。《水力发电工程地质勘察规范》GB50287-2006规定:岩石强度应力比Rb/σm=2～4时为高地应力;Rb/σm＜2时为极高地应力。高地应力下地下洞室的围岩破坏特性主要表现为:洞室开挖后，由于岩体边界条件发生变化，岩石材料的力学特性发生改变，应力重分布导致围岩内部破裂，如果岩体内的应力迅速达到或超过岩体强度，则产生岩爆与片帮、应力型坍塌等剧烈型破坏。这种破坏由于发生突然且常常具有一定动能，极易在施工过程中将造成如人员伤亡、设备损毁等灾害性后果。同时，由于围岩内部破裂在很长一段时间内持续发展，围岩变形在很长一段时间内不收敛，对围岩及支护系统的长期安全性产生影响。

2.2 围岩稳定性评价指标

对一般应力条件下地下工程稳定性的研究，常以塑性损伤区、位移、应力作为围岩稳定性分析的主要评价指标。而高地应力条件下的工程则更关注和需要解决的问题是岩爆等高地应力型破坏对施工安全的影响及围岩破裂和破裂持续发展对围岩长期安全性的影响。实际工程监测成果显示，脆性岩体在弹性状态下也可以出现破裂，出现严重破坏时围岩变形量也可能比较小，但仍满足变形标准。因此，高地应力条件下地下洞室的稳定分析必须充分认识到其特殊性，除了要对围岩变形、卸荷破损指标进行评价外，还必须对岩体能量指标进行重点研究。

研究岩体能量指标的主要目的是通过降低岩体的能量释放速率控制围岩的卸荷松弛区范围并降低高地应力型破坏发生的可能性，主要指标有能量释放率和弹性释放能。能量释放率(ERR)［1］概念是N.G.W.Cook 等在研究南非金矿岩爆问题时于1966年首先提出的。通过对南非金矿深部开采中岩爆事例进行的系统调查和分析得出:岩爆发生次数、规模及对采矿造成的损失与地下开采能量释放率密切相关，能量释放率越大，发生岩爆事件的比例也越高。图1为南非Ventersdrop Contact 和Cavabon Leader 矿脉破坏性岩爆事故次数与能量释放率之间的关系。

图1 岩爆发生次数与ERR 之间的关系图

国内外不少学者对岩体能量指标做了大量研究工作并取得了很多有价值的成果。专家［2］认为Cook 的能量释放率指标在工程应用上存在以下局限性:(1)岩体在数值计算中被看成均匀线弹性体;(2)未考虑地质构造、岩石材料破坏及其导致的应力重分布的影响;(3)只能在大体上估计岩爆发生的可能性，而不能直接圈定岩爆发生的位置;(4)只适用于钻爆法施工的洞室等局限性。苏国韶等［2］提出了一种新的评价指标——局部能量释放率(LERR)。该指标通过在计算中追踪每个单元弹性能量密度变化的过程，记录下单元发生脆性破坏前后的弹性能密度差值，得到单位体积岩体释放的弹性能量。通过追踪围岩能量释放、转移等能量动态变化过程，定量地预测高应力下地下工程开挖过程中围岩脆性破坏发生的强度、破坏位置与范围。该指标适用性更强，预测也更科学合理。由记录下的一个单元的局部能量释放率乘以单元体积得到单元弹性释放能。所有脆性破坏单元的弹性释放能总和为弹性释放能。

某水电站在进行洞室群围岩稳定性分析时，采用了局部能量释放率、弹性释放能、洞室周边位移、塑性区体积、应力等综合评价指标。其中，局部能量释放率、弹性释放能作为岩爆发生的可能性和烈度指标。

2.3 计算成果分析

某地下厂房三维数值模型见图2。岩体本构模型为弹脆塑性(CWFS)，计算软件采用FLAC3D。

图2 地下厂房开挖体计算网格图

分析计算成果后得知其具有以下特点:

(1)开挖过程中，围岩位移、应力、塑性区的变化规律与一般地下洞室变化规律相似。开挖过程中特征点位移变化见图3。支护条件下，洞室群整体稳定性良好。

(2)类比同等规模工程，洞室无支护时开挖最大位移和塑性区深度偏小，分别为87 mm 和10m。主要原因是围岩的强度高、完整性好。支护条件下洞室最大位移值为48 mm，塑性区最大深度为5.5 m。说明锚固支护措施实施后，围岩的破坏和变形能得到有效限制，有无支护对围岩应力值影响不大。但在洞室交叉部位，应力集中现象比较明显，最大应力达42 MPa。

图3 支护条件下特征点位移随开挖变化关系图

(3)总体看，围岩体能量释放随着开挖的进行增大较平稳(图4)。在洞室交叉部位增加较快，如无支护开挖，主厂房与母线洞、尾水洞交叉部位局部能量释放率明显增大，出现强烈脆性破坏现象和大体积贯通性塑性区。开挖完成后，局部能量释放率较大的部位分布在洞室边墙、突出岩台、洞室交叉口等部位，表明这些部位围岩弹性应变能聚积-消散较为剧烈，易发生大变形、局部失稳，是岩爆、应力型坍塌等高地应力型破坏的高发区。采取支护措施后，洞室开挖完成后围岩释放的总弹性释放能降低至无支护开挖的70%左右，局部能量释放率指标的最大值及其分布范围有较大减小，说明支护对控制围岩能量释放作用较明显。无支护及支护工况能量释放比较情况见图5。

图4 弹性释放能随开挖期变化规律图

2.4 支护设计要点

高应力地下洞室支护设计不仅需充分理解和把握围岩变形破坏特征及演变过程，而且还要考虑如永久支护滞后时间与围岩破裂时间之间的关系、临时支护与永久支护强度分配及支护滞后时间的关系等一系列问题。一般而言，需满足以下基本要求:

图5 局部能量释放率分布图(单位:J/m3)

(1)支护需要具有良好的抗变形能力和抗冲击能力。前者的主要作用为加固围岩、形成承载拱，充分发挥围岩自承能力，保证围岩不出现有害变形;后者主要是解决岩爆等围岩的脆性破裂对围岩及支护结构安全性影响问题。

(2)采用联合支护措施。单一支护手段已不能满足支护要求，必须采用多种支护措施联合作用。喷混凝土+系统锚杆是最常见和有效的组合，两者之间用锚板连接。挂钢筋网对保证支护结构连接的可靠性、增强支护结构的整体性有较大的作用。

(3)支护的适时性。支护设计需把握围岩状态变化及其对支护的需求。过早或过晚实施支护都是不可取的。开挖后如不及时支护则可能出现严重的围岩破坏失稳，如支护实施过早，由于围岩破裂持续发展可能导致锚杆、锚索等应力超限甚至断裂(实际工程中，已有高地应力洞室锚索在工作中被拉断的例证)。因此，设计的支护措施可以分期进行:为适应岩爆等高地应力型破坏往往在开挖后数小时即会发生的特点，初期先用柔性临时支护在开挖后迅速锁定围岩，控制围岩破裂发展，保证施工安全;后期跟进系统的永久支护，保证围岩长期稳定。永久支护强度应根据洞室监测资料，综合考虑支护滞后时间及初期支护强度。

(4)支护结构应具有足够的安全度。由于高地应力岩体破坏特性的特殊性和复杂性，目前，还不能准确描述围岩破坏可能出现的变化趋势，支护设计在很大程度上依赖工程经验。支护设计的锚固安全判断标准、类型选择要充分考虑锚杆锚索在高地应力下的受力特点，保证其具有足够的安全度。

3 模型试验

为验证数值分析成果，先后进行了“准三维”及“真三轴加荷条件”模型试验［3］、［4］。试验采用液压加载系统模拟地应力，围岩采用专门研制、性能相似的岩土材料，采用高精度光栅尺做传感器，并用数字摄像技术(CV)系统测量洞周微量收敛位移。对数值分析选定的洞室群布置方案、施工开挖顺序及支护方案进行了试验。试验中，研制了可施加预应力的微型模型锚索及埋设注浆锚杆的锚固技术。全部开挖支护试验完毕，还进行了超载试验，观察了围岩的破裂现象和破裂过程，模型试验开挖完成后的主厂房见图6。

图6 模型试验开挖完成后的主厂房

比较模型试验与数值分析成果得知，随着施工变化，位移、应力实测值与计算值的变化趋势和量值基本一致。观测点位移在关键开挖段实测值与计算值比较情况见图7。

图7 收敛观测点位移在关键开挖段实测值与计算值比较图

从超载试验可以看出，超载达到约1.5倍开挖荷载时，围岩相对位移突然增大，说明围岩达到峰值强度后强度迅速降低，岩体内的小裂缝增大，出现劈裂破坏。超载达到约2.5倍开挖荷载时，围岩虽然变形较大，但尚未发现显著破坏;片状剥落现象开始在顶拱和边墙出现，说明锚固系统对围岩的破坏起到了较为有效的控制作用。

4 结语

从岩体力学特性及破坏机理看，高地应力条件下地下洞室(特别是脆性围岩)的围岩稳定评价指标不应仅采用变形、应力、塑性区深度等指标，还应着重关注围岩的能量指标。从某水电站地下厂房洞室群围岩稳定的数值计算、模型试验成果看，这种分析方法对高地应力条件下的地下洞室更合理、更必要、更有针对性，对洞室群布置、开挖、支护设计具有重要的指导意义。

［1］Cook N G W，Hoek E，Pretorius J P G，et al，Rock mechanics applied to the stedy of rockbursts［J］Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1996，66(10):436-528.

［2］苏国韶，冯夏庭，江权.高地应力下地下工程稳定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(12):2453-2460.

［3］朱维申，李勇，等.高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(7):1309-1314.