前坪水库安山玢岩洞室围岩稳定分析

赵健仓　李永新　来光　唐建立　皇甫泽华

摘 要：围岩稳定性是地下建筑物安全和使用首要的考虑条件，同时制约工程建设、影响后期建筑物运行安全。洞室围岩失稳是一个受诸多因素影响和制约的复杂过程。在阐述前坪水库泄洪洞围岩基本特性的基础上，简要分析围岩应力分布的特点、应力重分布规律以及围岩变形破坏的因素，运用等效内力计算及现场监测手段，找出工作区围岩应力重分布后应力最大部位，明确了洞室衬砌设计的关键部位。工作区监测资料反映围岩位移变化符合“破坏—支护—平衡”的规律，同时位移曲线也呈现出较为明显的S形曲线走势，根据位移曲线可确定初期喷锚支护后围岩应力重分布达到新平衡的时机，达到了充分发挥围岩自承能力的目的。

关键词：围岩失稳;应力重分布;围岩应力;围岩监测;围岩自承能力;前坪水库

中图分类号：TV222   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.018

Stability Analysis of Cavern Surrounding Rock of Andesitic Porphyrite of Qianping Reservoir

ZHAO Jiancang1， LI Yongxin1， LAI Guang1， TANG Jianli1， HUANGFU Zehua2

（1.Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China;

2.Henan Qianping Reservoir Construction Administration， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：The stability of surrounding rock is an initial consideration condition of the safety and operation for underground building and it also restricts the construction of engineering works and affects the safe operation in the later stage. The instability of cavern surrounding rock is a complicated process which is influenced and restricted by many factors. Based on the elaboration of the basic characteristics of discharge surrounding rock of the reservoir， the paper briefly analyzed the characteristics of stress distribution of surrounding rock， law of stress redistribution and factors of deformation and failure of surrounding rock， found out the maximum part of stress of the working area after stress redistribution by using the method of equivalent internal force calculation and field monitoring and made clear the key part of lining design. The monitoring data of working area shows that the displacement variation of surrounding rock complies with the rule of “damage-support-balance”， the displacement curve also shows obvious s-curve trend and achieves the purpose of fully playing the self bearing capacity of surrounding rock based on the opportunity of reaching to the new balance after stress redistribution of shotcrete-bolt support at early stage.

Key words： surrounding rock instability; stress redistribution; surrounding rock pressure; monitoring of surrounding rock; self bearing capacity of surrounding rock;Qianping Reservoir

隨着技术经济的发展，地下洞室工程日渐增多，而其围岩稳定性是地下建筑物安全运行的重要前提条件，因此分析研究地下洞室围岩的稳定性显得尤为重要[1-4]。自20世纪50年代开始，国外许多学者深入研究地下洞室群有关的稳定性和支护问题，其中奥地利人L.V. Rabcewicz提出的新奥法理论（New Austrian Tunneling Method，简称NATN）最具代表性[5-6]。20世纪60年代初我国开始洞室喷锚支护技术的推广和应用，到20世纪80年代我国地下厂房围岩的刚性支护才完全转变为喷锚支护，国内较早应用喷锚支护技术的主要有吉林白山电站、云南鲁布格电站、小浪底水库等大型水利工程地下厂房。

自然状态下，长期应力历史作用使得岩体一般处于平衡状态，然而洞室开挖引起其周围岩体卸荷，围岩将在卸荷回弹作用下产生应力重分布。准确分析和评价洞室稳定性是施工前的重要环节，然而其周边工程地质环境具有不可预测性和较大的不确定性，以及施工过程的不确定性，造成实际工程中难以准确评价洞室的稳定性。

总体来说，围岩稳定性遵循一定规律，当围岩岩体坚硬且完整时，卸荷回弹和应力重分布一般只引起较小的围岩应力，此时不会发生围岩过大变形或破坏，这种情况下地下洞室不采取加固措施也能保持自稳;当岩体本身强度较低或者有软弱夹层、断层及破碎带等不良地质情况时，伴随岩体卸荷发生的回弹应力及重分布应力一般会超过围岩适应能力，导致洞壁局部或整体丧失稳定性[7-8]。因此，较软弱岩体或断层等不良地质条件处的洞室开挖后，若未及时采取有效加固措施或加固措施不适当，则可能引发工程事故，给洞室施工及后期运营管理留下安全隐患[9-10]。现阶段，洞室稳定性评价一般根据工程地质条件、围岩特征结合工程类比和经验判断确定，并在此基础上确定支护加固措施。本文在三维数值分析的基础上结合前坪水库泄洪洞围岩应力监测确定围岩应力及最大应力分布位置，确定围岩初期支护后应力平衡时间，为经济合理地实施二次混凝土衬砌提供依据。

1 工程区地质概况

河南省前坪水库泄洪洞洞身段建基面高程为349.64～360.00 m，岩性主要为微弱风化下带安山玢岩，具典型的“硬、脆、碎”特征，呈块状构造、碎裂结构，岩体裂隙较为发育，但结构面短小、延展差，张开裂隙由钙质充填胶结，岩块间嵌合较好，尤其北西向及北东向陡倾角闭合裂隙发育，洞体受北东向裂隙构造影响较大，岩层透水率为0.41～1.73 Lu。泄洪洞围岩岩性主要为安山玢岩，其块状构造、碎裂结构、裂隙多呈闭合状的特点决定其围岩稳定性主要受岩体自身结构的制约。

根据勘测资料，洞身段围岩类别为Ⅲ类。泄洪洞洞身采用城门洞式结构，洞身范围内安山玢岩抗压强度（饱和单轴）平均为64.7 MPa，普氏系数f=6～8。

2 围岩应力分析

2.1 应力分析的必要性

泄洪洞洞室围岩为碎裂结构，岩体本身存在非均质性、不连续性、各向异性、非线性、时间相关性等明显特点[11]，勘察及后期施工中均未发现岩体中存在连续软弱结构面，也未见地下水，因此开挖后的重分布应力就成为制约洞室稳定性的主要因素。隧洞开挖后原岩应力状态受到破坏，围岩发生不均匀位移，周边岩体通过应力调整来抵御不均匀位移。重分布应力将引起围岩各质点沿最短距离向洞壁方向移动，直至新的平衡产生[12-13]。在应力重分布发展过程中围岩受力状态也会发生变化，原有应力的大小及主应力的方向均会发生一定改变，导致岩体内原本处于紧密压缩状态的部位出现部分松胀、部分挤压情况。在这种主应力强烈分异情况下，最不利应力条件将出现在洞室周边，极易引起洞室围岩破坏[14]。工程经验表明，在适当滞后支护或柔性支护等条件下，围岩将产生一定变形来释放部分应变能，从而达到降低作用在衬砌结构上围岩应力的目的。但是，如果迟迟不进行衬砌，围岩发生过大变形后，其自身承载能力将大大减小[15]，因此确定合理的支护时机显得尤为重要。

2.2 围岩应力重分布的一般特点

泄洪洞洞身段主要位于微弱风化下带安山玢岩中，其开挖净宽9.70 m、净高12.60 m（包含拱矢2.71 m），拱顶中心角为117°。洞室开挖采用两层三区法施工（见图1），上下分为两层，下层再从中间分为左右两个作业面。施工时，先开挖上层，上层掘进一定进尺后进行下部开挖，而后上下两层同时循环掘进。

隧洞开挖后，在二次应力状态下，围岩发生应力偏转的岩体承载自身的重力和上部不稳定荷载，引起上方围岩产生拱结构切向压紧区域[16]。此时，若回弹应力或重分布应力超过围岩能够承受的作用，则势必导致围岩发生塑性变形直至破坏。洞室破坏后，周围岩体将形成新的松动带或松动圈，再次调整围岩应力状态，使应力集中区向岩体内部转移，逐渐形成新的应力分带[17]。一定条件下，围岩应力集中区是有一定分布范圍的，根据圣维南原理，洞室开挖卸荷引起的围岩应力重分布主要局限在3～5倍洞室开挖跨度范围内。

2.3 等效内力分析

为简化问题，本次计算洞室围岩竖向初始应力σz采用的公式为

σz=ρhg（1）

式中：ρ为岩石密度;g为重力加速度;h为计算点的埋深。

同时，假设水平向地应力与竖向地应力相同。安山玢岩节理虽比较发育，但皆紧密闭合，根据资料，变形模量E=5×104 MPa，密度ρ=2.64 g/cm3，泊松比μ=0.25 MPa，摩擦系数F′=0.80，内聚力C′=0.70 MPa。选取典型断面0+065、0+110、0+275、0+450进行了三维数值分析，模型范围为隧洞两侧及下部均取5倍洞径，隧洞以上取至山顶。计算结果显示：典型断面上典型点围岩最大位移为5.07 mm、围岩第一主应力接近0.767 MPa，均发生在进口渐变段，主要受竖井开挖卸荷影响。其余断面最大位移为3.27 mm，表明岩体抗剪强度较高，处于弹性状态;其余断面第一主应力最大值为0.014 MPa，低于混凝土抗拉强度，第三主应力为-5.63 MPa，发生在进口段边墙底部。

考虑泄洪洞采取城门洞式设计，其结构及受力近似对称，在典型断面上进行等效应力分析时可取洞室一半进行分析，洞室衬砌截面典型应力计算点编号见图2。为方便分析洞室各部位受力情况，数值分析计算成果转化为内力（轴力、剪力、弯矩等）。轴力、剪力、弯矩计算公式分别为

N=∑Ki=1Fxi（2）

M=∑Ki=1liFxi（3）

τ=QA（4）

式中：Fxi为等效内力计算出的i节点处沿坐标轴x的节点力;Q为截面剪力;N为换算出的截面轴力;M为截面弯矩;τ为截面剪应力;li为等效内力计算i节点的力臂;A为受剪截面面积。

把内力换算为等效内力，换算示意见图3。

应力计算结果见表1。计算表明：正常蓄水期墙底部局部应力较高，洞壁应力远低于围岩饱和单轴抗压强度，说明洞室围岩总体是稳定的，但设计时应注意加强应力集中区的配筋。

2.4 围岩监测

洞室围岩的变形是地质水文条件、施工方法、施工气候条件等诸多因素共同影响的综合反映。鉴于地质条件的复杂性及现有勘探手段的局限性，当下无法完全掌握现场地质条件。目前围岩应力分析理论均基于一定的概化假设，参数选取存在一定人为因素，分析所得的围岩应力情况及相应应力变化规律等并不完全符合现场实际情况。根据经验分析，现场开挖后，围岩稳定条件在一段时间内处于动态变化之中，特别是在初期支护后，叠加施工质量的差异使得围岩应力变化更加复杂。

基于以上因素并结合目前发展的状况来看，工程中引入围岩应力监测手段就成为一种直观反映围岩应力及其变化规律，印证围岩应力计算成果，进而根据反馈的数据及时调整设计的一种有效手段。因此，今后相当长的一段时间内需要特别关注围岩监测反馈信息，根据监测反馈信息分析洞室围岩变形特征、优化反分析本构模型及反分析方法、支护结构受力分析等。

前坪水库泄洪洞洞室围岩岩性为镶嵌碎裂结构安山玢岩，具有典型的“硬、脆、碎”特点，围岩中短小结构面发育[18]，其对现有计算模型的适用性更需要围岩监测资料印证。为此，在工程施工中，洞内布置多点位移计进行监测，共布置4个监测断面，其桩号分别为0+065、0+255、0+325、0+455，每个断面分别在左、右直墙底，直墙与拱矢交接部位以及顶拱部位典型点布置位移计，监测仪器布置见图4。其中，0+065典型断面位移计监测结果见表2。

2.5 围岩变形分析

通过分析4个监测断面数据发现，最大位移位于墙底处、拱顶部位位移一般较小，与等效内力分析结果基本一致。位移计安装后，其监测到的变形呈增长趋势，在施工期间，随着开挖的不断进行，围岩变形不断增大（见图5）。随着下道开挖完成，洞室锚喷支护完成后位移增长趋势逐渐变缓，至固结灌浆施工结束后其变形才趋于稳定（见图6）。典型测孔如BX3-1测孔，左拱座最大变形为10.79 mm;右拱座次之，最大为7.48 mm;顶拱变形最小，为3.48 mm。至2017年1月洞室开挖结束并进行锚喷支护施工完成后，变形速率明显减小;自2017年3月以来，围岩变形速率小于0.01 mm/d，表明围岩一直处于稳定状态。

虽然围岩变形受诸多复杂因素影响，但是通过分析工作区监测资料可以发现，其位移变化符合“破坏—支护—平衡”的规律，即位移量随时间延长逐步收敛，同时位移曲线呈现出较为明显的S形走势，且大致可分为3个阶段（见图7）。图7 围岩典型变形曲线

（1）第一阶段。主要是仪器安装后封孔水泥浆收缩与围岩变形共同作用，但以水泥收缩影响为主，直至仪器受拉达到最大值为止，此时水泥浆收缩与围岩变形达到相对平衡，该时段测量数据一般很难准确反映围岩变形情况。

（2）第二阶段。以围岩变形为主，该阶段变形主要为开挖后围岩应力释放所致，至初期支护完成后，达到短暂平衡状态，以及下台阶开挖后打破上台阶围岩初期形成的平衡，位移量出现增长，至下台阶施工完毕喷锚支护后，其变形量逐步收敛，围岩与支护环构成新的相对平衡受力体系。

（3）第三阶段。组合拱形成，支护体系新增应力逐步减小，围岩处于相对稳定状态。此时为二次衬砌混凝土的最佳时机。

2.6 数值分析结果与围岩监测结果对比

隧道围岩新奥法施工中需要及时的洞壁围岩收敛及支撑结构受力情况等监测信息，以此来判断数值分析结果和工程经验确定的设计参数及施工工艺的合理性，达到信息化动态控制施工过程的目的。根据上述分析可得到以下结论：①洞壁应力最大值出现在直墙底，其次为洞顶，边墙部位最小，数值分析结果与位移测量结果在规律上是一致的;②多點位移计虽不能直接测量围岩应力情况，但其反映的围岩位移情况可间接证明数值分析结果的合理性;③综合分析现场监测数据与数值分析结果说明，碎裂结构岩体数值计算中力学参数及边界条件取值是合理的，结果是可信的。

3 结 语

目前，信息化施工、设计以现场量测为主要手段，现场测量能及时在施工过程中向设计、施工方反馈围岩变形及受力状态的各种量测结果，为充分发挥围岩的自承载能力，减小围岩应力，确定合理的支护时间，以及采用经济合理的支衬结构设计提供重要依据[19]。

泄洪洞工程施工开挖后，现场量测数据证明了等效应力计算结果的可靠性，通过等效内力计算发现墙底处应力最大，是运营期相对薄弱部位，也说明围岩应力重分布后该处应力最大，是围岩失稳破坏的关键部位，必须保证该处围岩稳定，将该处作为支护设计的重点。

泄洪洞工程施工前期围岩变形持续加大，直至下层开挖完毕并完成锚喷支护后组合拱才逐步形成，支护体系应力逐步达到平衡，围岩处于相对稳定状态，因此在开挖下台阶时应保证上台阶初期支护已完成。监测数据显示，工程区镶嵌结构岩体开挖初期支护一般15 d后洞室围岩位移逐步收敛，约45 d应力充分释放，围岩在初期支护结构的作用下达到新的应力平衡，此时围岩应力最小，可进行模筑钢筋混凝土二次衬砌。

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【责任编辑 张华岩】

收稿日期：2019-12-24

基金项目：河南省水利科技攻关计划项目（GG201707）

作者简介：赵健仓（1967—），男，河南方城人，高级工程师（教授级），主要从事水利工程勘察方面的研究工作

通信作者：来光（1971—），男，河南洛阳人，高级工程师（教授级），主要从事水利工程勘察方面的研究工作

E-mail：13643813587@163.com