基于开挖卸荷效应的地下洞室围岩稳定性分析

蔡健 刘霞

摘要：在地下洞室实际施工过程中，围岩处于复杂的应力路径中。基于开挖卸荷理论，以某抽水蓄能电站地下进厂交通洞为研究对象，结合室内试验与三维有限元数值模拟，对洞室位移应力的分布规律及整体稳定性进行综合评价。分析表明，考虑开挖卸荷效应洞室围岩变形能较好地反映围岩的稳定性。室内试验与数值模拟相结合的分析方法对类似工程具有一定参考价值。

关键词：围岩稳定性;开挖卸荷效应;三维有限差分法;地下洞室;抽水蓄能电站

中图法分类号：TU45文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2019）01-0027-05

1 研究背景

卸荷巖体力学问题是高陡边坡、地下洞室、路（坝）基等工程建设中不可避免的重大问题之一。20世纪90年代，针对工程岩体中出现的较多常规岩石力学理论无法较好解释的工程问题，如金川边坡、链子崖边坡的大变形等，李建林等[1]以三峡永久船闸高边坡为研究对象，创新性地提出了卸荷岩体力学的概念。在其后的研究过程中，岩体卸荷力学特性越来越受到重视，针对一些重要的工程岩体问题开展了诸多研究，如三峡工程船闸高边坡及地下厂房、拉西瓦水电站及锦屏水电站等高地应力区高边坡和深埋地下厂房或引水隧洞等工程开挖卸荷稳定性问题[2-7]。

基于计算机性能的提高，数值仿真分析方法迅速发展，并在岩土工程的设计和研究中得到广泛应用。三维快速拉格朗日分析（FLAC3D）采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，同时应用混合单元离散模型，对于模拟材料的塑性流动、弹塑性分析、大变形分析及模拟施工过程等有其独具的优点。国内许多学者采用软件对地下厂房洞室群开挖、支护进行了数值模拟。张练等[8]模拟了水布垭地下厂房施工开挖的不同方案，对比研究了软岩置换和喷锚支护措施对围岩稳定性的改善作用。朱维申等[9]对小浪底水利枢纽地下工程的支护效果进行了数值模拟，通过不同的支护方案对比，分析了锚索、锚杆以及混凝土衬砌对围岩变形和稳定的影响。

虽然地下洞室围岩稳定性的数值模拟技术已经较为成熟，但考虑开挖效应的地下洞室稳定性评价的实例不多，有必要进行相关研究。基于此，本文结合室内实验，针对某抽水蓄能电站的进厂交通洞，采用三维有限元法，分析开挖后洞室围岩的应力场、位移场，评价洞室开挖后洞室围岩的整体稳定性，相关成果可为类似工程提供设计参考。

2 三轴加卸载蠕变试验

2.1 试验设备

该试验所使用的仪器主要有岩石切割机、电子天平、数显游标卡尺、PCI-2声发射检测仪以及RMT-150C岩石力学试验系统。

室内实验的三轴流变试验部分基于TOP INDUSTRIE自适应自动岩石三轴试验机，该设备是一套多功能的精密仪器设备，可用于岩石和混凝土等材料的力学实验。

2.2 室内三轴卸围压流变试验曲线

三轴卸荷流变试验采用定轴压逐级卸围压的流变试验方案。该试验在围压为55 MPa时进行，花岗岩试样在逐级加卸载下的轴向蠕变曲线、侧线蠕变曲线及应力时程变化曲线特征如下：明显不同的是，除第一级荷载外，在其余各级荷载作用下蠕变曲线均呈现出衰减蠕变和稳态蠕变的特征，且与常规三轴蠕变试验相比，卸围压蠕变试验的蠕变变形显著增加。

（1）在常规三轴压缩蠕变试验中，花岗岩的蠕变变形不大，瞬时变形占总变形量的90%以上。但在同等围压条件下，随着应力水平的提高，轴向蠕变变形呈增加趋势。

（2）在低应力水平作用下，花岗岩只呈现衰减蠕变特征;在较高应力水平作用下，会出现稳态蠕变阶段，蠕变速率开始时最大，然后逐渐减小，最后减至一定值时以恒定速率发展;只有在接近长期强度的高水平应力作用下，花岗岩才会呈现出加速流变特征，并且加速阶段的蠕变速率可用幂率型的函数形式来描述。

（3）在卸围压状态下，围压的降低不仅会显著提高蠕变变形量，而且会改变花岗岩的蠕变变形形态：在卸围压蠕变过程中，瞬时变形只占总变形量的60%～70%，比重明显降低，且均可观测到明显的稳态蠕变过程。卸围压流变具有明显的类似软岩流变的特点。

（4）卸围压状态下，稳态蠕变速率随着与初始围压差值的增大而显著提高。

（5）在三轴流变试验机上获得的三轴流变试验曲线，为岩石粘弹塑性流变模型的建立和辨识提供了可靠的试验资料。

3 三维有限差分法计算理论

3.1 工程概况及计算模型

3.1.1 工程概况

某工程位于皖南山区。现有公路X086县道从工程区穿过，沿着X086县道可直达绩溪县城，距县城里程29 km，距黄山市公路里程88 km。电站枢纽主要由上库、下库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成。装机容量1 800 MW，安装6台单机容量为300 MW的可逆式抽水蓄能机组，电站建成后主要服务于华东电网。进厂交通洞是地下厂房主要运输交通通道，也是厂房的进风通道，施工期作为厂房中部开挖的施工通道。进厂交通洞洞口布置在下水库库岸公路旁，从安装场端部进入厂房，长约1 679.58  m，城门洞型，断面净尺寸为7.8 m×7.8 m（宽×高）。洞口高程 350.35 m，安装场高程248.20 m，交通洞平均坡度 6.08%。

下库库区出露地层为元古界震旦系下统休宁组（Z1x）中段碎屑岩以及燕山晚期侵入的花岗岩（γ53（3）），第四系覆盖层零星发育，以崩、坡积为主，主要分布于冲沟、坡脚和地势宽缓地带。

3.1.2 计算模型

根据进厂交通洞入口段地下洞室布置及运行的特点，对该范围地下洞室群围岩稳定进行整体三维数值仿真计算。计算域范围：沿洞轴线方向长405.1 m，垂直洞轴线方向宽137.7 m，平面布置图粗线范围内。

岩石物理性质采用室内试验与工程类比法相结合得出的参数见表1～2。

主要考虑以下计算工况。

（1）考虑卸荷效应开挖工况。按常规弹塑性有限元计算洞室开挖后未加固工况。考虑到边坡的实际开挖情况及卸荷效应，采用分段开挖，计算中模拟了边坡的开挖情况。本工况采用初始力学参数计算，目的是了解最终开挖完成时洞室岩体应力场和洞室变形的情况。同时考虑岩体蠕变情况，计算50 a内的洞室变形。

（2）未考虑卸荷效应开挖工况。通过对比增加卸荷区前后的位移、塑性区变化，分析卸荷作用对洞室开挖的影响。

3.1.3 边坡卸荷岩体力学参数

边坡开挖后，初始应力场发生了变化，岩体质量劣化，节理连通率增加，岩体受到损伤，抗拉强度降低，卸荷岩体力学参数发生了较大变化。

根据卸荷岩体力学原理与方法，开挖卸荷工况边坡卸荷岩体的变形模量应适当降低，参照《卸荷岩体力学原理与应用》[10]，其降低百分比见表3。

具体计算时，以初始应力场与开挖完成后的应力场进行比较计算，得到各岩体的卸荷百分比，再根据初始力学参数值得到卸荷后各区域卸荷岩体的力学参数值。

3.2 三维有限差分法各工况计算

3.2.1 考虑卸荷效应开挖工况

开挖洞室穿过断层，主要分布在弱风化上和弱风化下区域。共分为7段开挖。每段洞室外层设5 m和10 m两个卸荷区。其中1，2段未有塑性区，其余各段开挖塑性区对比。

洞室开挖结束后，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。水平位移最大值达到2.57 mm，发生于断层侧墙的中等高度附近。底板最大回弹量为50 mm。随着洞室的开挖，岩体中的塑性区逐渐加大，主要位于软弱断层处，因此断层开挖在施工时应引起足够的注意，及时采取支护措施。由于花岗岩质地坚硬，施工前已经挖除洞口全风化带，因此洞口处未出现明显的塑性区。

3.2.2 未考虑卸荷效应开挖工况

开挖洞室穿过断层，主要分布在弱风化上和弱风化下区域。共分为7段开挖。此次计算不考虑卸荷作用的情况，以便与上节考虑卸荷作用的开挖进行对比，监测点的位移及塑性区分布。

根据卸荷岩体力学理论，洞室开挖过程为应力释放过程，也就是卸荷过程。洞室位移场、塑性区变化明显有别于加载岩石力学理论计算结果。在不考虑卸荷作用的情况下，洞室最大位移发生在断层洞顶处，达 7.21 mm。塑性区位于断层处。与考虑卸荷工况相比，不考虑卸荷作用情况下水平最大位移减少了0.32 mm，减少了 4.25%。塑性区分布区域减小。

4 结 论

本文通过室内试验和有限元数值模拟对某抽水蓄能电站进厂交通洞进行稳定性分析，较系统地研究了考虑卸荷工况与不考虑卸荷工况下护洞室围岩的变形及塑性区，验证了卸荷效应理论对于地下洞室围岩稳定性研究的可靠性，主要结论如下。

（1）在不考虑卸荷作用的情况下，洞室最大位移发生在断层洞顶处达到 7.21 mm，塑性区位于断层处。而考虑卸荷效应情况下，底板最大位移为50 mm，水平位移最大值达到 2.57 mm，发生于断层侧墙的中等高度附近，与不考虑卸荷作用情况下水平最大位移减少 0.32 mm，减少 4.25%，塑性区分布区域减小。因此在地下洞室开挖过程中有必要考虑围岩卸荷效应。

（2）本文主要针对的是硬岩（花岗岩）的室内试验，后面将进一步研究不同岩性岩体的卸荷流变试验，并且基于试验结果建立不同岩性岩体卸荷流变本构模型，用于数值模拟中。在模型的建立上，受限于计算的效率，网格的划分较为粗略。所用本构模型是基于有限元自带模型，今后将立足于自建模型对有限元软件进行二次开发，使数值模拟结果更符合工程实际。

（3）结合室内试验与数值模拟的方法能较好地对地下洞室的安全稳定性进行评价，相关研究思路可为后续类似工程提供一定的参考价值。

参考文献：

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[10]李建林.卸荷岩体力学原理与应用[M].北京：科学出版社，2016.