黄金坪水电站大断面尾水隧洞结构安全性研究

易泽荣，杨 超，王玉锁

(1.中铁二十四局新余工程有限公司，江西新余 336600;2.西南交通大学峨眉校区，四川峨眉 614202)

0 引言

我国水电开发潜力巨大，水能资源蕴藏总量达6.76亿kW，多半集中在国家西部金沙江、雅碧江、大渡河、澜沧江、鸟江、红水河和黄河上游，由于这一地区雨量充沛，河谷狭窄陡峻，适宜修建许多高水头大容量的水电站，所以也常需要布置大断面引水隧洞或高坝。与交通隧洞相比，水电隧洞具有大断面、大埋深和高地应力等特点，这些特点给隧洞结构安全带来了较大的挑战。目前，国内已有较多关于大断面隧洞开挖方法与结构安全评估方面的研究:宋冶等［1］根据黄土大断面隧洞的不同施工方法提出了适用于该地质条件的安全监测控制基准;李斌［2］以浏阳河隧道等工程为背景，采用数值模拟、现场监控量测等手段对软岩大断面隧道开挖面的稳定性及其控制方法进行研究。但这些研究都集中在交通隧洞方面，对水工隧洞开挖方法与结构安全评估的研究则比较有限。针对以上问题，本文依托黄金坪水电站尾水隧洞工程，介绍了该工程采用的分层开挖与支护技术，采用数值模拟、现场监测的手段进行了深埋大断面尾水隧洞开挖结构安全研究，分析围岩与支护的受力状态和发生岩爆的可能，在数值分析与现场监控量测相互验证的条件下进行结构安全评估，通过以上措施，最终实现了隧洞的安全通过。

1 工程概况

黄金坪水电站尾水隧洞处于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级水电站，位于四川省甘孜藏族自治州康定县姑咱镇黄金坪上游约3.2 km处。尾水隧洞断面为城门洞型，其开挖断面为494.08 m2，纵坡i=0。尾水隧洞围岩为斜长花岗岩、石英闪长岩，并穿插有花岗闪长－角闪斜长岩质混染岩。局部施工洞段存在断层、裂隙密集带及卸荷拉裂缝，岩体总体较完整，多呈次块状或镶嵌结构，施工段以Ⅲ级围岩为主，部分高地应力施工段存在发生岩爆的可能。

2 隧洞开挖方法与参数

尾水隧洞开挖标准断面尺寸为19.4 m×26.8 m，为保证结构安全与提高施工进度，隧洞开挖分4层进行:顶层采用导坑扩挖法(兼作通风通道)，底层采用全断面一次开挖，其余各层采用预留核心土的开挖方法，第Ⅰ层开挖高度8.5 m，第Ⅱ层、第Ⅲ层开挖高度8.0 m，尾水隧洞横断面开挖顺序见图1。隧洞初期支护设计采用喷射混凝土、系统锚杆、钢筋网和型钢支撑(格栅钢架)的综合防护系统。喷射混凝土采用C25湿喷混凝土(极限抗压强度为19.0 MPa，极限抗拉强度为2.0 MPa)，在隧洞拱部、边墙以及仰拱全断面施作，系统锚杆采用φ28与φ32砂浆锚杆交错布置(L=8 m)，隧洞喷射混凝土厚度为0.25 m，内嵌 φ6.5@15 cm×15 cm的挂网钢筋。

3 数值计算模型的建立及参数的选取

本次采用FLAC有限差分软件对隧洞开挖支护工程进行数值模拟，所建隧洞埋深为138 m，开挖断面为494.08 m2，考虑隧道的边界效应［3］，隧道整个计算范围为194 m×210.5 m×1 m(宽×高×长)，整个模型共划分了43 564个单元，87 684个节点。模型左、右边界与底部边界均施加约束。数值模型见图2。

围岩采用莫尔－库仑模型，该模型的破坏包络线对应于莫尔－库仑判据(剪切屈服函数)加上拉伸分离点(拉应力屈服函数)，见式(1)与式(2)，当fs＜0时，岩体将发生剪切破坏;当岩体内某一点应力满足ft＞0时，岩体将发生拉伸破坏。支护结构采用弹性模型，这类本构模型具有卸载可恢复变形的特性。

图1 横断面开挖顺序示意图(单位:cm)Fig.1 Cross-section and excavation sequence of tailrace tunnel(cm)

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

式中:σ1，σ3为最大、最小主应力;c为岩体的黏聚力;φ为岩体的内摩擦角。

Ⅲ级围岩参数根据工程勘察资料结合相关规范选取［4］，由于锚杆的作用既有改善围岩应力状态的力学作用，又有提高岩石力学参数的物理作用，但数值模拟计算中现行杆单元不能有效地反映锚杆这一复杂的支护作用［5］，所以本次分析采用等效的方法，将锚杆的作用通过提高隧洞外部锚杆加固范围内(围岩加固圈)的围岩力学参数来实现，按照等效刚度原则［6］，并参考相关文献［5，7］进行折减计算得到。材料物理力学参数见表1。数值模拟中的开挖顺序均与实际开挖顺序(见图1)相同。

表1 物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters

4 岩爆的预测依据

根据对现有岩爆预测［8－9］方法的研究，结合地质资料收集情况，此次岩爆预测选择《水利水电工程地质勘查规范》提出的判据评价隧洞岩爆发生的可能性及其烈度，判断依据见表2，其中Rb为饱和单轴抗压强度，本工程取70 MPa，σm为围岩应力。

表2 岩爆判据Table 2 Criterion of rock burst

5 数值计算结果

1)Ⅰ、Ⅱ层开挖完成后围岩受力情况。通过数值模拟计算得到Ⅰ、Ⅱ层开挖完成后围岩的塑性区分布、第1主应力和第3主应力云图见图3。

从图3可以看出，由于顶层采用先中部开挖，再向两侧进行扩刷挖的方式进行开挖，刷掉的是围岩松动圈外圈的低应力松散带，避免了扰动深部围岩，与具有类似开挖断面的工程相比［10］，顶部塑性区明显减少。塑性区主要为剪切破坏，底部拉伸破坏区分布范围较小。塑性区主要分布在边墙两侧5 m范围内，说明锚杆长度的设计较合理。隧洞两侧大部分围岩处于受压状态，拱顶中部与部分隧洞底部处于受拉状态，第1主应力最大值为0.86 MPa(受拉)，位于拱顶中央部位，未超出围岩加固圈的抗拉强度(见表1);开挖断面的边角处出现明显的应力集中现象，第3主应力最大值为6.25 MPa(受压)，Rb/σm最小值为 11.2，参照表 2判断，不会发生岩爆。

2)隧洞开挖完成并施加完支护后的围岩受力情况。通过数值模拟计算得到隧洞开挖完成并施加支护后的围岩塑性区分布、第1主应力和第3主应力云图见图4。

从图4可以看出，隧洞开挖完成并施加完支护后，拱顶塑性区分布较少，塑性区主要集中在隧洞两侧，主要分布在边墙两侧5 m范围内，说明锚杆长度设计合理;塑性区主要为剪切破坏，未出现拉伸破坏;隧洞两侧的围岩大部分处于受压状态，第1主应力最大值为0.86 MPa(受拉)，位于拱底中央部位，未超出围岩抗拉强度(见表1);开挖断面底部的边角处出现明显的应力集中现象，第3主应力最大值为6.9 MPa(受压)，Rb/σm最小值为10.1，参照表 2，不会发生岩爆;支护结构的第1主应力最大值为0.6 MPa(隧洞底部中间部位)，第3主应力最大值为5 MPa(隧洞底部边角处)，均未超出混凝土的极限强度。总体上看，施加支护后，除隧洞底部外，隧洞围岩大部分呈受压状态，围岩受力状态良好，但施工中应及时封闭隧洞底部，抑制其隆起变形，并加强边墙底部墙角处的支护。

图3 Ⅰ、Ⅱ层开挖完成后围岩受力情况Fig.3 Stress conditions of rock mass after Bench I and Bench II are excavated

图4 隧洞开挖完成并施加完支护后的围岩受力情况Fig.4 Stress conditions of rock mass after excavation and support

6 数值模拟结果与现场监控量测对比与分析

为了解开挖对围岩的扰动情况，在尾水隧洞施工现场布置5套多点位移计(每套测点个数为4)进行位移测量，具体监测布置见图5，根据测量结果得出的其中3个监测点的位移值与相应的数值计算结果见表3(仅选取监测断面的1/2)，其中多点位移计M41WS－3观测成果过程线见图6，通过数值计算得到的M41WS－3位置监控点位移见图7。

图5 尾水隧洞监测断面位移计布置图Fig.5 Layout of displacement gauges

图6 尾水隧洞多点位移计M41WS－3观测成果过程线Fig.6 Displacement measured by multi-point displacement gauges(M41WS－3)

图7 数值计算位移曲线(M41WS－3)Fig.7 Curves of displacement obtained by numerical calculation(M41WS－3)

表3 监控量测与数值模拟位移Table 3 Displacement measured vs.that obtained by numerical simulation

由表3可以看出，多点位移计各测点现场实测位移值均较小，未发生较大的变形;多点位移计测点位移基本都随测点深度的增大而减小，孔口位移值最大，位移计测点深度超过5 m的测点位移值均较小(最大值仅为5.17 mm);其中位于边墙上部M41WS－6位置的孔口位移值最大，为 31.64 mm，位于拱顶部位M41WS－10位置的孔口位移值最小，为2.63 mm。可见，开挖施工对边墙上部两侧的围岩产生的扰动最大，而拱顶中部围岩的扰动最小。由于数值模拟计算考虑了围岩的最不利状况，与现场多点位移计监测结果相比，数值模拟计算得到的位移值偏大，但表现了相同的规律:位移均随位移计测点深度的增大而减小，拱顶位移值最小，最大位移位于边墙上部。

由图6和图7可以看出，监测点M41WS－3位移在开挖支护过程中有较大变化，但开挖支护完成后，位移随时间变化较小，隧洞基本处于稳定状态。

通过数值模拟计算结果与现场监控量测的比较，说明本文采用数值模拟分析的方法能定性地反映围岩与支护结构的状态，同时，隧洞开挖过程以及支护完成后都处于安全稳定状态。

7 结论与建议

采用数值模拟与现场监控量测相结合的手段，对隧洞围岩与支护的的受力状态进行了研究，得出结论并提出建议。

1)隧洞断面划分为4层开挖，顶层采用导坑扩挖法，先开挖中部导坑，再向两侧进行刷扩处理，由于刷掉的是围岩松动圈外圈的低应力松散带，避免了扰动深部围岩，有利于结构安全。

2)本工程在特大断面中采用的分层开挖与支护方案能满足隧洞结构安全的要求，发生岩爆的可能性较小，但施工中应及时封闭隧洞底部，抑制其隆起变形，并加强边墙底部墙角处的支护。

3)文章采用莫尔－库仑模型与弹性模型进行数值模拟得到的围岩变形规律与现场监控量测得到的数据基本相同，能定性地反映围岩与支护结构的状态，而且数值模拟能有效地弥补现场监控量测无法形象反映围岩应力应变的缺点，对改善施工方法，提高施工安全具有指导作用。

［1］ 宋冶，王新东，王刚，等.客运专线大断面黄土隧道施工监控技术［J］.铁道工程学报，2010(1):52－54.(SONG Ye，WANG Xindong，WANG Gang，et al.Technology for monitoring construction of large section loess tunnel of passenger dedicated line［J］.Journal of Railway Engineering Society，2010(1):52 －54.(in Chinese))

［2］ 李斌.软弱围岩大断面隧道开挖面稳定性及控制研究［D］.成都:西南交通大学土木工程学院，2012.

［3］ 汪波，何川，俞涛.苍岭隧道岩爆预测的数值分析及初期支护时机探讨［J］.岩土力学，2007，6(28):1181 －1186.(WANG Bo，HE Chuan，YU Tao.Study on numerical analysis of rockburst and primary support time in Cangling tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，6(28):1181 － 1186.(in Chinese))

［4］ 中华人民共和国水利部.GB 50487—2008水利水电工程地质勘查规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［5］ 陈浩，任伟忠，李丹，等.深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究［J］.岩土力学，2011，32(1):722－723.(CHEN Hao，REN Weizhong，LI Dan，et al.Numerical simulation and model test study of mechanismof bolt in deep tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(1):722－723.(in Chinese))

［6］ 朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2010.

［7］ 张胜，沈红波，王飞.不同施工工法对既有隧道影响的数值模拟研究［J］.合肥工业大学学报，2007，30(5):611－619.(ZHANG Sheng，SHEN Hongbo，WANG Fei.Study on influence of two different construction methods on an existing tunnel by numerical simulation［J］.Journal of Hefei University of Technology，2007，30(5):611 － 619.(in Chinese))

［8］ 陶振宇，潘别桐.岩石力学原理与方法［M］.武汉:中国地质大学出版社，1991.

［9］ 樊建平.山西省寺铺尖隧道岩爆问题初探［J］.河北地质学院学报，1996，19(2):154 － 156.(FAN Jianping.A preliminary discussion on the rockburst problem of Sipujian tunnel［J］.Journal of Hebei College of Geology，1996，19(2):154－156.(in Chinese))

［10］ 高富强，高新峰，康红普.动力扰动下深部巷道围岩力学响应FLAC分析［J］.地下空间与工程学报，2009，5(4):680 － 685.(GAO Fuqiang，GAO Xinfeng，KANG Hongpu.FLAC analysis of mechanical response of surrounding rock mass in deep tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(4):680 －685.(in Chinese))