固增水电站引水隧洞炭质板岩大变形段稳定控制措施研究

郭 益，陈 洋，蒋裕飞，殷子文，胡天明，张继勋

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.河海大学，江苏 南京 210098)

固增水电站引水隧洞位于木里河左岸，引水线路处于高山峡谷地貌区，地质构造较为复杂且存在规模较大的断层破碎带。岩体中随机发育小断层、挤压破碎带和层间错动带，层内揉皱、挠曲等褶皱现象也较发育，地下水在过沟段、断层带、裂隙密集带较活跃，尤其4号主洞通过以炭质板岩为主的地层，岩层的走向与洞轴线夹角较小，炭质板岩较为破碎、松散，围岩的承载能力较低[1]，故在施工过程中可能引发大变形，影响围岩稳定。而现场监测资料显示，4号主洞部分洞段出现变形异常、收敛缓慢的情况，因此需对其采取一定的控制措施以改善围岩的变形情况和受力状态。

控制炭质板岩隧洞大变形的措施主要从2个方面考虑：一是合理的开挖施工工法[2]；二是选择合理的支护方式[3]。设计开挖工法时应在考虑现场地应力分布特点的基础上适时制定，以减少对围岩的扰动，充分发挥其自承能力，这是控制围岩大变形的根本方法。而针对已出现大变形的软岩隧洞，支护结构的作用就显得十分重要[4]。支护系统通过约束围岩变形以调整其受力状态，合理的支护形式既能充分发挥调节作用，又能够保持自身的稳定运行[5]，在符合当前以新奥法的基本思想作为隧洞施工指导思想的前提下[6]，也可以保障工程在安全性与经济性之间寻求平衡。鉴于此，本文针对固增水电站引水隧洞开挖过程中出现大变形处的断面，采取加强支护的控制措施改善围岩的稳定状态，分析支护措施对其变形的影响以及支护结构自身的稳定情况，并结合工程实际，提出一些大变形控制措施的探讨。

1 炭质板岩段大变形及影响因素

固增水电站引水隧洞起于小沟河沟口下游约0.4 km，至曼念吉冈沟口下游约300 m的木里河左岸Ⅰ级阶地建地面厂房发电，线路全长约11.06 km。根据地层岩性和断层的发育情况，将引水隧洞线从进水口至调压井按工程地质条件分为六大段，其中出现大变形现象的4号主洞部分位于第五段，埋深在300 m左右，穿越索根、曼念吉冈断层段，断层带及影响带岩体破碎，地下水较丰富，断层带围岩类别为Ⅴ类。围岩不稳定，且存在涌水的可能。该区域软岩地段的变形有以下特点。①破坏类型有以下几种形式：边墙挤压内鼓(图1)、底板隆起、局部塌方(图2)、喷混凝土开裂(图3)、初期支护钢筋网弯曲等。②变形量较大。侧墙最大变形26.2 cm，底部隆起最大变形32.7 cm，一般变形量均在19、24 cm以上。③变形速率较高。初期收敛速度最大达到16.9 mm/d。④变形收敛持续时间长。根据现场的监测数据可知，围岩变形稳定收敛大都在100 d左右。⑤围岩变形的空间分布不对称，底板隆起变形大于侧墙水平变形，侧墙水平变形明显大于顶拱下沉量。

图1 侧墙内鼓

图2 局部塌方

图3 喷层开裂

陈宗基[7]认为，隧洞开挖后的长期稳定性取决于岩体的长期强度，进行稳定分析时应考虑岩体的流变特性，并在此基础上总结了围岩收敛的机理，主要包括扩容和挠曲、塑性楔体滑移、围岩回弹、内应力释放和围岩膨胀5个方面。一般来说，大变形的产生不是单一机理的作用，而是多种机理综合作用下的结果[8-9]。

固增水电站引水隧洞的大变形洞段处地应力水平较高，经反演分析围岩最大垂直正应力为9 MPa左右，最大水平正应力为14 MPa左右；侧压力系数λ在1.6左右，水平应力明显大于垂直应力，在一定程度说明了侧墙水平位移普遍偏大的原因。岩体性质软弱，以炭质板岩为主，而炭质板岩作为常见的软岩类型之一，遇水和风化易崩解，其变形表现出明显的蠕变特征，且变形机理直接受到岩层结构的影响。

隧洞开挖后，会对原始平衡状态的初始地应力场产生扰动，应力重新分布，相对较高的应力水平易导致层状岩体进一步破碎，围岩的承载能力降低。且地质勘探资料表明，4号主洞附近的地下水活动中等，由于围岩自身较为破碎，岩体性质遇水劣化效应突出，使得围岩的自稳能力急剧下降，导致层状岩体剪断或解体，在顺岩层向发生滑移并伴随弯曲，而当弯曲超过限值时会出现层间拉裂的现象[10]。而因岩层的走向与洞轴线的夹角较小，将加剧层间拉裂的程度，使岩体裂隙进一步扩展，更多的地下水渗入。同时，炭质板岩遇水会产生一定的围岩膨胀性压力[11]，岩体应力达到屈服面时，岩体产生塑性变形，随着时间的推移也可能发生塑性流动。塑性流变会使得围岩产生较大变形，增大支护结构的工作压力，严重时将会引起边墙开裂等破坏[12]。

此外，在施工中钢拱架架设等支护系统施加的不及时不平顺，以及超欠挖产生的应力集中等因素都会增大洞室的变形，产生大变形[13]。

2 初始地应力场

由于本项目没有实测地应力场数据，因此在进行数值分析时采用了基于位移监测数据的反分析方法反演初始地应力场，以获得与实际相符的结果。具体监测数据见图4。

图4 7+318断面(4号主洞典型大变形段)变形监测统计

三维初始地应力场的拟合有很多种方法，郭怀志等[14]提出用有限元数学模型回归分析初始应力场的方法，采用三维空间力学模型，在计算过程中引入数理统计中的多元回归分析原理，能够反映山体地形、地貌、地质构造及岩体参数对初始应力场的影响，以围岩变形为目标变量。

本工程的初始地应力场和岩体参数采用位移反分析法[15]得出，具体过程如下：先在给定的范围内选取一组岩体参数初值，通过数值计算得到该参数下的初始地应力场和洞室围岩扰动区的位移场；将计算得到的位移场结果与实测位移值作对比，得到残差平方和作为误差函数；在允许的范围内不断修改优化岩体参数并进行迭代计算，直到误差函数取到最小极值，此时有限元计算用到的计算参数可视为现场岩体的材料参数，与之对应的地应力水平可作为工程的初始地应力场。反演得到断面洞轴线附近地应力计算结果见表1，断面编号为7+318。

表1 初始地应力计算结果

3 数值计算分析

3.1 计算模型与计算参数

选取4号主洞的典型断面(7+318断面)作为分析计算区域，采用ABAQUS有限元计算软件建立计算域三维有限元模型，剖分网格见图5。模型的两侧和上下边界均距隧洞中心线50 m，大于5倍的洞径，沿水流方向隧洞长度取为120 m，计算域内隧洞埋深取305 m。边界约束模型底部X、Y、Z3个方向的位移，左右侧固定Y方向位移，前后侧固定X方向位移，顶部为自由面，用于承担上覆岩体的自重应力，侧面施加链杆约束和位移约束相结合的方式。材料力学参数见表2。

图5 三维弹塑性有限元计算模型

表2 计算断面材料力学参数

支护模拟，锚杆采用T3D2杆单元模拟，工字钢以B31梁单元模拟，其具体形状采用面积与惯性矩等效方法加以考虑。由于7+318断面变形较大，为保证围岩稳定，采取支护优化作为变形的控制措施，表现为加密锚杆间距、增大锚杆长度，将工字钢底部封闭等措施(图6)。具体支护参数为喷混凝土10 cm，挂网φ6.5@150×150，锚杆型号φ25L=6 m，间排距0.8 m，衬砌厚度60 cm，回填灌浆顶拱120°，固结灌浆每排10孔，工字钢工I16间距0.8 m，作封闭处理。计算过程中考虑施工工况和运行工况，工况参数的选取见表3。岩体采用弹塑性模型，D-P屈服准则，锚杆、钢支撑等采用弹性模型。

图6 工字钢底部封闭示意

3.2 结果分析

3.2.1围岩稳定性

无支护状态与支护参数优化后，围岩变形分布见图7。从图上可以看出，有、无支护2种不同状态下，围岩的竖向位移变化规律相似，均为底板位移大于顶拱位移，与监测位移资料相符。从数值上看，未实施支护时，底板隆起值达29.76 cm，支护优化后，底板隆起最大值为3.83 cm，两者相差25.93 cm，降低了87.1%，说明底板中部的大变形得到了有效的控制。从塑性区开展深度来看，未支护时塑性区开展深度约5.5 m，已超过灌浆圈厚度，而优化支护后塑性区开展深度缩小至3.5 m，相差36.4%，围岩稳定性改善效果明显。综合围岩稳定判别的各项指标可以看出，将优化支护作为炭质板岩大变形段的支护方案，可以对围岩稳定起到很好的控制作用，其在减小围岩变形情况和改善受力状态方面能够发挥积极作用。

a)无支护开挖后围岩竖向位移(m)

b)支护优化开挖后围岩竖向位移(m)

c)无支护塑性区开展范围

d)支护优化塑性区开展范围

3.2.2支护体系稳定性

由前述分析可知，采取支护控制措施能够约束水工隧洞破碎带部位的大变形，为探究支护系统的长期稳定运行和安全，分别计算了施工工况和运行工况锚杆与工字钢的受力，结果见图8。运行工况内水水头取为50 m。锚杆整体受拉，最大拉应力分布于边墙处，顶拱处受力较其他位置相比亦较大，最大拉应力251.7 MPa，且大部分受力均在200 MPa范围内。而工字钢的受力状态为整体表现为受压，压应力的较大部位为顶拱末端附近，达265.1 MPa，因其主要作用是承担围岩压力，发挥抑制顶部围岩下沉的功效。综合锚杆和工字钢在施工期和运行期的受力情况，结合规范[16]中所规定的抗拉、抗压强度需在300 MPa之内的要求，认为支护体系能够保持稳定。

a)施工期锚杆最大拉应力

b)施工期工字钢最大压应力

c)运行期锚杆最大拉应力

d)运行期工字钢最大压应力

3.2.3衬砌结构受力分析

实施支护措施前后衬砌运行期所受应力的计算结果见图9。无支护与加强支护状态下，衬砌受力规律相似，无论是顺水流方向还是垂直水流方向，应力峰值均出现于边墙和底板交接处，应力集中范围小，在衬砌厚度的1/3内有快速衰减。其中，加强支护后，顺水流方向应力峰值从1.55 MPa降至1.29 MPa，降低16.8%，虽峰值降低幅度不大，但衬砌大部分区域的应力水平降至0.60 MPa；垂直水流方向应力峰值从6.51 MPa降至3.62 MPa，减小44.4%，大部分应力水平在1.75 MPa左右。由此可以看出，采取支护强化措施后衬砌在运行期的受力状态得到了明显的改善，有利于减少衬砌配筋量，保证隧洞运行的长期稳定安全。

a)无支护运行期顺水流方向正应力

b)无支护运行期垂直水流方向正应力

c)支护优化运行期顺水流方向正应力

d)支护优化运行期垂直水流方向正应力

4 结语

本文结合固增水电站分析了炭质板岩洞段大变形机理，基于现场监测资料反演了初始地应力场，通过数值模拟提出了围岩稳定加固控制措施，主要结论如下。

a)固增水电站引水隧洞炭质板岩引发的大变形具有变形量大、变形速率不易收敛的特性，主要受到围岩所处地应力状态、地质构造、初期支护强度不足的影响。

b)在进行围岩参数反分析的基础上进行数值模拟，证实通过适时强力支护对围岩大变形进行控制会取得很好的效果。计算分析结果表明，钢筋锚杆、钢拱架间距控制在0.8 m以内，锚杆长度6 m；挂网喷混凝土厚度在10～15 cm；固结灌浆深度在4.5 m，可以有效控制该洞段围岩变形，确保隧洞长期安全运行。

c)大变形控制可从设计和施工2个阶段考虑，选择合理的断面型式和支护方案可以在变形发生前对其起到抑制作用。在施工过程中，要加强技术管理和监测资料的适时反馈，以便及时对支护措施进行调整，在保证隧洞安全的前提下实现施工成本控制。