软岩中竖井开挖的支护分析

李 辉

（新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

在工程实践中支护措施常见的选择锚杆支护，通过锚杆和围岩协同，尽量将围岩形变、位移与裂缝的发育缩小[1-2]。地下洞体开挖改变岩体应力分布情况，当洞体无法承担岩体载荷时，如果不及时进行支护加固，极易发生塌方事故。随着西部大开发的逐渐深入，水利水电建设不断开展，软岩中竖井开挖工程逐渐增多。在工程前期及工程中做好支护工作，关系着工程质量及安全。

新疆ATL水电站闸门竖井开挖工程位于布尔津河上游干流，是布尔津河规划开发的第五个梯级电站。是一座以发电为主，兼有灌溉、供水效益的水利水电枢纽工程，也是新疆某地区目前投资规模、装机容量最大的单体水电站。电站总装机容量11万kW，年有效发电量达3.91亿kW·h，水库总库容为9400万m3。探究不同支护方式选择问题。通过依据弹塑性力学的支护原则与结构力学支护原则，选择各种支护方案。经过计算分析等效塑性应变、塑性区、形变与结构应力3个方面的指标，获得最佳的支护方案体系，保证施工质量与安全。

1 计算推导分析

Mohr-Coulomb屈服准则主要体现岩土材料受力时和球应力、偏应力等受力情况，多用于岩土工程界[3]。

设定 σ1＞σ2＞σ3，则 Mohr-Coulomb 屈服准则计算主应力公式见公式（1），最后整理后见公式（2）：

其中，黏聚力用C表示，内摩擦角用φ表示，应力张量第一不变量用I1表示，偏应力张量第二不变量用J2表示，应力Lode角用 θσ表示，第一、第二、第三主应力依次利用 θ1、θ2、θ3表示。

2 案例分析

引水隧洞位于地形右侧坡度变化很大的河谷处，上部坡度达到50°，甚至65°，左侧坡度变化较小，呈现左低右高的V型。基于地形限制，引水隧洞入口附近山体内开挖闸门竖井。

2.1 计算推导与材料介绍

引水隧洞闸门井开外横截面尺寸为8.6 m×10.2 m，竖直方向高程在2276.5 m～2394.6 m，其地质条件为：风化、卸荷地带，岩体不够完整，结构松散，围岩属于V类，该工程的难点主要为闸门井围岩稳定性评价与支护方式的确定。经过地质勘查，闸门井位置的岩体没有地下水，仅考虑开挖稳定性即可。

经过综合考虑，开挖时选择喷锚进行加固，锁口梁利用间隔为0.5m×0.5m的5m的锚杆加固，门井附近选择间隔0.8 m×0.8m的4.6 m与6.2 m的锚杆间隔方式进行加固，并将18cm厚的C25混凝土层喷射在内表面挂网。考虑到门井上部分地质条件差，所以计算时将上半部分衬砌设定为65 cm，下半部分维持25 cm厚度的计算条件。

计算分析分为6种情况：①无衬砌；②仅有锚杆支护；③仅有25 cm厚混凝土衬砌；④上半部分65 cm与25 cm厚混凝土衬砌；⑤25 cm厚混凝土衬砌与锚杆支护；⑥上半部分65 cm与下半部分25 cm厚混凝土衬砌配合锚杆支护。参考地质研究文献[4-6]，查的材料参数标量整理成表1。依照地质勘查情况，超过高程2349.56 m的部分围岩结构松散，不够完整，计算分析时取定V类围岩参数的低值；低于高程2349.56 m的部分围岩计算分析时取定V类围岩参数的高值。

荷载重点包含围岩和结构的重量。计算时第一步要模拟闸门井周围围岩的初始重力，第二步对其开挖和支护时的重力进行模拟计算[7-9]。

表1 材料物理力学相关参数汇总表

2.2 计算模型搭建

基于闸门井附近的地质情况，搭建三维立体有限元模型。设定引水隧洞水流方向是X轴正方向，竖直方向是Y轴正向。模型在X轴上长度范围是66.5 m，Y轴上高程范围是2276.5 m～2394.6 m；Z轴计算长度设定值是46.6 m。具体有限元模型实景图如图1所示。

图1 三维立体有限元模型实景图

2.3 计算结果分析

影响结构安全的因素很多，要充分结合影响因素决定利用何种加固措施[10]。依据弹塑性力学的支护原则，锚杆务必透过塑性区来锚固在未产生塑性的基岩内[11]。依据结构力学的原则[12]，结构形变必须在规定的数值内，并且结构应力不得超过规范值。就如上两个原则分析各种支护方案时软岩的塑性区、位移与支护结构的应力情况。

2.3.1 软岩塑性区

采取各种支护方式时，竖井开挖后软岩中塑性区具体分布依次如图2～图7所示。通过图2～图7可以得出：当不采取支护措施时，塑性区影响深度高达22m，利用锚杆基本可以阻止塑性区的深层扩展，等效塑性应变最高值下降幅度可达约26%。混凝土衬砌能够显著降低塑性区范围，65 cm厚衬砌与25 cm厚衬砌相比，其等效塑性应变最高值降幅达35%。当辅助锚杆后，塑性区的影响范围变化不大，等效塑性应变最高值下降幅度约35%。所以，混凝土衬砌支护显著性影响着塑性区，而锚杆对其影响微弱，在工程实践中前期塑性区临时支护可选择锚杆支护，后期安全控制必须选择混凝土衬砌支护。

图2 方案1塑性区分布情况

图3 方案2塑性区分布情况

图4 方案3塑性区分布情况

图5 方案4塑性区分布情况

图6 方案5塑性区分布情况

图7 方案6塑性区分布情况

2.3.2 软岩位移

采取各种支护方式时，竖井开挖后闸室竖井的水平位移最高值整理成表2。通过表2中数据可以看出方案2的水平位移低于方案1的水平位移27.5%～29.6%，方案3的水平位移低于方案1的水平位移44.5%～51.5%，方案4的水平位移低于方案1的水平位移56.8%～67.1%，方案5的水平位移低于方案1的水平位移52.6.5%～58.3%，方案6的水平位移低于方案1的水平位移60.8%～67.5%。所以，闸室竖井边墙的水平位移都很小，表明混凝土衬砌可以有效阻止洞壁形变。

表2 竖井边墙水平位移最高数值表

2.3.3 结构应力

采取各种支护方式时，竖井开挖后锚杆的应力最高值整理成表3，衬砌混凝土应力最高值整理成表4。分析其计算数据，不难看出，仅在锚杆支护下，锚杆应力最大，并最高值出现在上半部分；选择混凝土衬砌与锚杆支护与仅锚杆支护比较时，锚杆应力下降36.2%；衬砌混凝土厚度由25 cm变成65 cm厚时，锚杆的应力分布发生改变，最高值出现下半部分（下半部分衬砌厚度仍保持25 cm）。所以，选择衬砌支护显著影响着软岩应力分布情况。

表3 锚杆应力最高数值表

表4 混凝土应力最高数值表

衬砌上的拉应力主要位于衬砌拐角外侧，其应力高值一般多分布在上半部分基岩较差区域。改变衬砌厚度可显著改变应力最高值，提升衬砌厚度可降低拉应力最大值，其最大幅度达到约64%左右。增设锚杆支护仅降低衬砌混凝土拉应力值11%。

3 结语

本文以位于软岩地质的新疆ATL水电站闸门竖井开挖工程为例，探究不同支护方式选择问题。通过依据弹塑性力学的支护原则与结构力学支护原则，选择各种支护方案，经过Mohr-Coulomb屈服准则计算分析得到如下结论：

（1）锚杆支护与混凝土衬砌支护相比，对软岩塑性区发育阻止微弱，仅可做辅助性措施，混凝土衬砌支护作为主要支护措施。

（2）门井结构三维效应显著，塑性应变微弱，塑性区范围大，软岩形变小；混凝土衬砌对软岩形变影响远大于锚杆作用。

（3）混凝土衬砌支护能够改变软岩应力布局情况，进而可改变锚杆应力，衬砌厚度达到某数值后对锚杆应力无影响。衬砌厚度与衬砌应力呈负相关关系，锚杆基本不影响衬砌应力数值与分布。

（4）对比锚杆支护，混凝土衬砌显著影响着软岩塑性区、软岩形变与软岩的应力。所以软岩地质条件下竖井开挖时主要支护措施为混凝土衬砌支护，锚杆支护仅作为临时辅助性措施。