水平岩层洞室开挖支护有限元分析

胡 亮，赫 雷，赵静雅，宋 朝

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

地下洞室开挖及初期支护过程中的围岩稳定性问题，一直是水电工程施工过程中参建各方关心的主要工程地质问题，一旦发生大规模的垮塌事故，将会带来巨大的人员伤亡和财产损失。通过分析大量实际工程，国内外的专家逐渐总结出一套相对完善的洞室勘察及围岩稳定评价的理论体系。本文以某水电站工程为例，分析研究水平岩层层洞室开挖支护初期，洞室围岩及支护应力应变分布情况。

1 工程概况

该水电站位于中南半岛南部，东、西、北三面为高原，中部为平原并向南延展入海。北部扁担山脉东西延伸约300km，西部和西南部称豆蔻山脉，南部为象山山脉，向海岸延伸。工程所在河流位于柬埔寨西南部的戈公省（KOH KONG），北西向展布的豆蔻山脉的西南麓，南北向展布的象山山脉西麓，地势总体走势是北东高、南西低。工程位置周边区域为海拔低于500m的平缓山丘，属低山地形。河流及冲沟切割较深，多形成“U”型谷或“V”型谷，植被茂盛，为原始森林区；上游河谷宽约10～15m左右，至下游增加至70m以上。

该水电站由上、下电站两个梯级组成，以发电为主要任务，上、下电站均为大（2）型二等工程。上、下电站主要水工建筑物为挡水建筑物、泄水建筑物和引水发电系统组成。整个工程洞室开挖的总长度达到6.9km。施工过程中，洞室围岩的稳定及衬砌的变形大小，对工程的施工进度和质量显得尤为重要。

2 地质背景

工程区主要出露侏罗系地层，为陆相沉积的碎屑岩，岩层近似水平。岩性主要为石英砂岩、紫红色泥岩、泥质砂岩等。以砂岩为主的砂岩岩组与以泥岩为主的泥岩岩组相间分布，层位相对较稳定；砂岩岩组多为中厚层～厚层状；泥岩岩组为薄层状结构，局部夹砂岩、粉砂岩等。

工程区内碎屑岩岩层近似水平，构造不发育，中生代地层未经过强烈挤压；平原与山区结合部位无大断裂发育，新构造运动不明显。工程区挽近期以来，地壳处于缓慢抬升、广遭剥蚀、构造活动相对微弱，地震基本烈度为小于Ⅵ度。

工程区物理地质现象主要表征为风化与卸荷、崩塌。全强风化一般分布在缓坡地段，垂直深度一般5～20m；弱风化深度一般河床较浅，垂直深度5～10m，两岸稍深，岸坡段一般垂直深度20～40m不等，存在夹层风化现象。卸荷多发育在砂岩形成的陡坡地段，水平深度10～20m。

3 岩石物理力学性质

3.1 岩石矿物成分

工程区出露地层主要为侏罗系中统石英砂岩、泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等。依据工程区钻孔揭示，将坝址区125m高程以下地层分为以下工程地质岩组，砂岩岩组厚度约占总厚度的85%，泥岩岩组约占总厚度的15%。

第①、③、④、⑤、⑦、⑨、⑪、⑬、⑮为砂岩岩组，其中第④层岩性主要为紫红色泥质砂岩，其余岩性主要为灰白色石英砂岩。砂岩多为中厚层～厚层状，厚度一般12～18m。石英砂岩以灰白色为主，岩石中因含泥质量增加而相变为泥质砂岩，呈浅红色～紫红色。碎屑成分主要为石英，含量约60%～95%，其它为泥质、岩屑及少量的铁质，硅质胶结为主，次为钙质及泥质胶结，岩质坚硬。泥质含量相对较高的泥质砂岩失水时具有微弱崩解性。

第②、⑥、⑧、⑩、⑫为泥岩岩组，局部夹砂岩、粉砂岩等，层厚一般4.5～7.0m，薄层状结构，泥岩类以紫红色为主，个别为灰绿色、深灰色、青灰色，粘土质结构，块状构造或层状构造。矿物成分主要为水云母，含量约55%～85%，石英含量5%～20%，其它为绿泥石、菱铁矿等，个别含有蒙脱石，高岭石。天然状态下性状较好，失水或饱水后易风化崩解，力学性质变差。岩块内因石英含量的不同而崩解性有差异，泥岩为强崩解性，砂质泥岩次之。

3.2 岩石（体）物理力学性质

工程区布置了大量勘测钻孔，主要钻孔钻进采取率及RQD统计情况，见表1。

为了解砂岩、泥岩的物理力学性质，工程共计完成岩石岩矿鉴定及化学成分分析26组，岩石常规物理力学试验19组；泥岩受其工程特性的影响，在现场开展了点荷载试验，部分砂岩亦开展了该试验，共计162块，并在现场开展泥岩崩解试验，共计60块。综合考虑岩性、岩体的完整性、钻孔的采取率及RQD值，以地质专业提供的岩体力学参数为基础并对其做适当修正后［1］，给出工程区岩体力学参数建议值，见表2。

4 工程区洞室围岩分类

根据岩性、岩体结构、岩体风化及结构面特征，采用GB50287-2016《水力发电工程地质勘察规范》附录L围岩分类方法，将工程区地下洞室围岩分为如下几类，见表3。

进行分类时，主要考虑了以下几个方面：

表1 工程区主要钻孔钻进采取率及RQD统计

表2 岩体试验成果表（力学参数为顺层抗剪断试验）

（1）岩石的抗压强度：采用钻孔岩芯样的强度指标，砂岩取饱和抗压强度，泥岩取天然状态下点荷载进行修正后的抗压强度；

（2）岩体的完整性：岩石质量指标RDQ和岩体的完整性系数Kv，均是表征岩体完整程度的定量指标；

（3）结构面的间距、性状及围岩强度应力比。

工程区绝大部分围岩为Ⅲ、Ⅳ类，且以Ⅲ类围岩居多。工程区岩层近水平，勘探表明，深埋40m以下新鲜砂岩岩体裂隙不发育，岩体完整，坚硬岩，RQD一般大于80%，为Ⅱ类围岩；Ⅴ类围岩一般为浅表段全强风化泥岩及全风化砂岩。工程区以层状结构岩体为主，总体上岩层单层厚度不大，最主要的结构面为层面，岩层近水平，对围岩侧壁洞室稳定性影响不大，但对洞室顶拱围岩稳定性影响较大。洞室开挖后，拱脚和拱顶部位是最容易塌方变形的部位［2］。

表3 工程区地下洞室围岩分类

5 洞室开挖有限元分析

5.1 洞室开挖的结构

本文以下电站导流洞的开挖过程为例，简要分析工程区水平岩层开挖支护初期应力分布状态。导流洞典型开挖断面图如图1所示，洞径5m×6m（宽×高）。开挖初期的支护方案是：采用系统锚杆挂钢筋网加喷10cm厚C20混凝土，洞顶锚杆25cm，间距100cm，入岩270cm；洞壁锚杆25cm，间距100cm，入岩270cm。锚杆主要对洞室的围岩松动圈进行锚固，防止垮落［3］。

5.2 分析范围

隧洞开挖后，岩体的应力将重新分布，分为低应力区、高应力区和原始应力区，原始应力区岩体未受开挖影响，仍处于原始应力状态［4］。本文选取三倍隧洞直径的范围为计算范围，对单位长度洞室进行有限元计算。

5.3 计算单元划分

根据隧洞所在位置的典型断面的地层情况，如图1所示划分计算单元，进行平面应力应变分析。

图1 洞室地质剖面图

在划分计算单元网格时，为减少计算的工作量，采用不均匀划分的方法。计算范围边界附近以1m为间隔划分计算单元，靠近隧道中心逐渐加密至0.5m为间隔划分计算单元。模型节点数7195，单元总数4096，如图2所示。

图2 计算网格划分图

5.4 岩土体及混凝土计算参数

非锚固区砂岩、泥岩计算参数见表2，锚固区因为初期支护的系统锚杆，锚固体等效内聚力显著增强，可用如下公式计算等效参数C′。［5］

式中，C′—锚固体等效内聚力；C—岩体内聚力；ΔC—锚固体等效内聚力；L—锚杆长度；R—隧洞直径；φ—锚杆直径；D—锚杆间距。

洞顶、洞壁锚固体计算参数见表4，喷混凝土计算参数见表5。

表4 锚固体等效计算参数C′

表5 C20混凝土计算参数表［6］

5.5 结果分析

本文采用摩尔—库伦弹塑性模型作为岩体材料的本构模型，分四个步骤模拟开挖至初期支护完成，洞室的应力应变情况。

步骤一：原始应力状态，因本区域没有经受强烈的构造作用，岩层产状近似水平，岩体的初始应力状态十分接近由弹性理论所确定的应力状态，用自重应力法计算得出［7］。总应力分布图如图3所示。

图3 总应力分布图

步骤二：洞室开挖完成，为了模拟围岩应力释放产生变形的过程，在计算过程中，因开挖而作用在拱部上的荷载按40%进行折减。总应力分布图如图4所示。

图4 总应力分布图

步骤三：为隧洞进行临时支护，由于锚杆的作用，锚固体C′值见表3。喷混凝土初始强度按表4的10%进行折减，同时因开挖而作用在拱部上的荷载按70%进行折减。总应力分布图如图5所示。

图5 总应力分布图

图6 总应力分布图

步骤四：喷混凝土强度达到100%，因开挖而作用在拱部上的荷载达到100%。总应力分布图如图6所示，单位洞室长度轴向压力图如图7，单位洞室长度弯矩图如图8所示，单位洞室长度剪力图如图9所示。

图7 单位洞室长度轴向压力分布图（kN／m）

图8 单位洞室长度弯矩分布图（kNm／m）

图9 单位洞室长度剪力分布图（kN／m）

通过对比可以发现，计算边界位置，应力与初始状态变化不大，说明3倍洞径的计算范围选择是合理的。

步骤四状态下，内力分布极值见表6，各步骤z向位移和x向位移极值见表7。

表6 单位洞室长度内力分布极值

6 结论

通过计算，使用有限元方法模拟了洞室开挖施工，并进行初步支护的过程。洞室岩体开挖后，通过逐步折减，因开挖而作用在拱部上的荷载，模拟了因洞室开挖，围岩应力逐步释放的过程。

（1）在洞室刚刚开挖完成时，洞室的顶拱和底板会产生较大应力集中，同时洞室变形量相对较大。此时应重点关注顶拱和底板的部位，一旦发现变形、掉块等现象，要及时支护。在开挖过程中，可采取短进尺、弱爆破的方式开挖。［8］

（2）施加喷锚支护后，洞室变形速率减小，两侧边墙底部出现应力集中。在施加永久支护之前，应格外关注两侧边墙底部的变形情况，及时加强支护。

（3）工程区构造不发育，因此本文在计算分析的过程中，忽略了节理裂隙对于岩体的影响。

［1］李宁博，储小钊，王芳，等.天花板水电站厂房后边坡稳定分析与支护设计［J］.水利规划与设计，2011（03）：75-78.

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