顺向高边坡及偏压隧洞开挖稳定性研究

杨发栋

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

水利枢纽工程中，顺向高边坡及偏压隧洞的开挖、支护，是根据相关地质资料，利用数字模拟软件以及建模分析的方式，加载工程各项参数，呈现工程施工的发展趋势，为水利工程的施工、管理提供基础数据[1]。在大型顺向高边坡、偏压隧洞的开挖施工中，缺乏偏压特性、地质属性以及施工的时效性等研究资料时，应在现有相关的资料基础上，结合实际的施工经验，建立有限元模型，进行工程岩土材料的时效性分析。

1 工程概况

某水库为大型低坝水利枢纽工程，水库主要以农业灌溉为主，兼顾发电、航运及防洪；工程区位于河道夹角的峡谷处，山势陡峭，水库总库容为15.1 亿m3，校核库容为1.05 亿m3，正常蓄水位为313 m；1 号泄洪洞出口段为一级边坡，施工区域地质断裂带较多，1 号泄洪洞修筑开挖尺寸15 m×15 m，出口段与放空洞的净距为19.1 m。工程区域岩层为泥盆系下统D1，整体为单斜岩层构造，其中1 号泄洪洞出口段320°∠26°，隧洞修筑线路与岩层的走向夹角为50°～70°。工程区域有三个与隧洞斜切的断层，均为东北走向，破碎带的宽度在1.0～1.5 m，类型为碎裂岩系的断层角砾岩、未固结或弱固结的泥状岩石等，其岩石结构极为松散，具有透水性强等特点；工程区域地下水含量较大，多为软塑粘性土。

1 号泄洪洞出口段，主要为强风化泥质粉砂岩，右侧边坡深度在50 m 以上，岩层变化情况极为复杂，部分区域呈现较大的倾斜角度，不具备施工条件，1 号泄洪洞出口段工程地质情况如图1 所示。

图1 1 号泄洪洞出口段工程地质情况

根据地质勘探的结果显示，本次工程区域的地质断层主要为F6，F244，F243 等，此区域裂隙破碎带软弱夹层较多，属于中等透水性能，地下水折减系数0.5～0.7。其中，D16主要由紫红色厚石英砂岩层、砂岩夹泥岩、含砾石英砂岩、细砂岩和粉砂岩构成；D15主要由杂色厚层状含砾粗粒石英砂岩与紫红色、石英岩状砂岩夹薄层构成。

2 模型分析

2.1 计算方法

本次研究采用连续介质力学计算模型以及弹塑性力学作为本次研究的基础，对岩土材料变形程度进行分析，使用C-M 准则以及流动法则进行岩土材料的粘弹性应力、形变，以及工程开挖支护的建模分析。

C-M 准则对岩土材料的粘弹性应力表示为：

式中：τf——岩土材料的抗剪强度值；

c——岩土材料的粘聚力；

σn——岩土材料的正应力值；

φ——岩土材料内摩擦角度。

在忽略岩土材料的强化作用下，假设发生屈服产生无法变形时，开挖释放荷载所产生的应力变形，均可作为粘性、非粘性变形，计算公式：

式中：δ——全部荷载释放后形成的位移；

δuv——开挖形成的瞬间位移（非粘性变形）；

δv——开挖过程中因持续变形而产生的位移（粘性变形）；

F——岩土材料所有荷载；

Fuv——非粘性变形的荷载值；

Fv——粘性变形的荷载值；

α——荷载瞬间释放的因子。

释放荷载的计算过程，是将粘性、弹塑性荷载作为节点力，施加于开挖节点，进行迭代求解，计算出开挖瞬间变形的非粘性弹塑性荷载值；消除施加在开挖节点上的应力后，添加支护参数，求出岩土材料在支护作用下产生的粘性变形增量。

2.2 计算模型

根据工程地质条件及施工方案，建立施工区域的地形、岩层结构、边坡、1 号泄洪洞以及放空洞等模型，网格模式如图2 所示。

图2 网格模式图

2.3 计算参数

根据本工程的地质参数及施工经验，完成数值模拟计算。由于弹塑性作用受地下水的影响较大，以往同类工程地下水的折减系数取0.7～0.9，参考到本次工程的地质参数，最终确定本次地下水折减系数为0.5～0.7[2]，本工程各基岩物理学参数如表1 所示。

表1 基岩物理学参数

3 研究结果分析

工程相邻放空洞的贯通区，未发生明显塑性屈服区。假设岩土材料为理想的弹塑性体，在施工中瞬间非粘性变形荷载将得到释放，而粘性变形的荷载则是随着施工的过程逐渐释放。荷载瞬间释放因子，根据相关研究结果及同类工程经验，取0.8。

3.1 开挖施工中边坡应力分析

结合基岩物理学参数，对边坡初始应力进行模拟分布，发现工程边坡中的应力值较低，模拟计算中的最大数值为2.8 MPa。以计算出的初始应力值为基础，使用边坡有限元抗剪强度折减法进行结构的稳定性能评估，获得边坡的安全系数为1.58。根据边坡剪切应变增量图显示，应力分布情况受地质断层的显著影响，其中较大的潜在滑动面处于施工区域高程的260 m与边坡的底部。

在边坡开挖施工中所发生的重力分布转移，将会在表面引起拉应力，对施工区域局部的稳定性造成波动。边坡开挖施工时，临近洞口部高程为230 m 的区域出现了大幅度的变形。因此，对该区域布置监控点，以获得地层位移的变化情况。放空洞、1 号泄洪洞监测点位分布如图3 所示。

模型中监控点的监测结果显示，该区域中最大的位移变化为14.5 mm，施工中产生的荷载释放，将导致边坡前表层位移及塌陷，整体变形程度较为显著，因此需要对边坡进行有效的支护加固处理。监控点模拟位移增量如图4[3]所示。

3.2 偏压隧洞开挖支护措施

由于1 号泄洪洞的地质条件较为复杂，因此使用管棚预支护进行处理，以最大限度地优化支护段的支护强度，在开挖施工后对偏压出口发生位移段进行监测。根据监测结果发现，各个监控桩位的位移均朝向泄洪洞洞口方向，在使用管棚预支护后，发生的最大位移距离为4.9 mm。不同桩号的最大位移距离如表2所示。

图3 放空洞、1 号泄洪洞监测点位分布图

图4 监控点模拟位移增量

表2 不同桩号的最大位移距离 单位：mm

1 号泄洪洞管棚施工的部分措施为开挖后实施，K0+565—K0+502 之间的区域为五类围岩，与断层F6，F243 相切，最大的破碎带宽度在1.3～5.0 m，并且由断层角砾岩、未固结或弱固结的泥状岩石构成，结构极为松散具有强透水性，稳定状态较差，岩体的风化程度较强，施工中常会出现破损、岩石脱落的现象，成洞难度较大。在使用管棚预支护施工后，仍然出现了最大4.9 mm 的位移，导致泄洪洞的管棚、衬砌发生局部开裂、洞室承载力下降的情况，由于对结构的安全产生了较大的影响，因此，需要对结构的发展状况进行稳定性的评估。

本工程中1 号泄洪洞两侧山体严重地不对称，因此产生了较大的偏压。为了详细地分析偏压对泄洪洞支护的影响，在泄洪洞出口段的边墙及拱顶位置设置了三处监控点位。发现此区域开挖时的瞬时荷载释放所产生的位移增加较大，模拟计算的结果与工程的实际监测资料的发展趋势相一致。说明运用本研究方法，能够有效地模拟工程施工过程情况，避免应用弹塑性力学理论进行工程开挖模拟时，瞬时弹性变形增量，造成后期加固支护措施未能发挥作用的情况[4]。出口段各监测点位移增量如图5 所示。

图5 出口段各监测点位移增量

根据上图显示，边墙两侧监控点位的最大位移增量为2.0 mm、0.2 mm，数值相差显著，原因是山体偏压效应致使管棚出现受力不均，根据进一步监测发现，在山体较高侧的管棚拱脚最大应力为6.1 MPa，较低侧的管棚拱脚最大应力为1.0 MPa，监控点断面的应力情况均呈现内大外小，具有明显的偏压状态。导致围岩由内向外偏移，内侧最大位移增量为2.0 mm，说明构造偏压对洞室稳定会造成较大的影响[5]。放空洞、1 号泄洪洞夹层的层状岩体结构，在四类围岩地层中能够产生较大的发展。

4 结论

根据对工程区域在增量、应力及塑性区三个方面的研究发现，使用工程中制定的支护方案实施隧洞施工，将会造成失稳的可能性，并且在地下水因素的作用下，将会增加失稳的程度，因此，需要改善、强化当前的支护方案，避免隧洞边壁、边坡表面出现局部的倒塌、破坏。