超前预固结灌浆调压井施工期围岩稳定的影响研究

王晨辉

（新疆建源工程有限公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况与模型建立

1.1 工程概况

某水电站为引水式电站，其调压井为开敞圆筒阻抗式，开挖直径31 m，衬砌内径27 m，井筒总高度为108.2 m，底板高程为1 211.0 m，井筒顶高程为1 319.2 m，地面高程约为1 325.0 m。

1.2 模型建立

1.2.1 边界条件

结合弹性力学与岩体力学，对于圆洞，可取洞径的3～5 倍为计算范围，根据所处地形地质资料以及调压井布置、设计情况，模型的外周边界以调压井底部中心为原点，向x、y正负方向各延伸120 m，模拟的最大深度为350 m。其高程范围为1 080.0～1 430.0 m，即底边界到井底的垂直距离为131 m，简易模拟地形与岩层，认为调压井1 260.0 m高程以上为Ⅳ～Ⅴ类围岩，1 260.0 m高程下为Ⅲ类围岩，未考虑断层与裂隙的对围岩稳定的影响[1]，采用理想弹塑性材料本构关系及D-P 屈服准则建立三维有限元模型（见图1）。

图1 有限元模型

1.2.2 计算参数

依据工程地质勘察及设计成果，按国内水利水电工程围岩分类方法，并结合混凝土材料力学性质，确定各类岩体和混凝土材料的物理力学参数建议值（见表1）。

表1 材料物理力学参数

1.2.3 计算方案

对Ⅳ～Ⅴ类围岩超前预固结灌浆后开挖成井，不采取任何支护措施。固结灌浆影响范围为开挖边线外7 m。

2 计算结果

2.1 预处理后围岩位移特性

井壁Ⅳ～Ⅴ类围岩未经固结灌浆处理，采取20 cm钢纤维混凝土喷层支护加2.5 m厚混凝土二次衬砌，井壁附近围岩稳定性仍很差，径向位移最大值为304 mm（见图2），最大等效塑性应变为0.024，故采取超前固结灌浆措施，处理后，Ⅳ～Ⅴ类围岩弹性模量增大到2.94 GPa，相应的黏聚力，摩擦角都有所提高。固结灌浆影响范围为开挖边线外7 m。

图2 支护后井壁附近围岩的径向位移、塑性应变云图

（1）预处理后围岩位移特性所取代表断面东北-西南走向的断面（即沿山脊线走向的断面）径向与竖向位移等值线图见图3。

图3 无支护情况下代表断面径向位移等值线图

由天然应力引起的位移在洞室开挖前已经完成，故开挖后围岩位移主要是重分布应力与天然应力之差引起的。从整体分析，沿东北-西南走向，研究范围内围岩的径向位移向井内收敛，沿井壁径向向外呈现递减趋势，在调压井底部部分位移向井外。其中，径向位移较大值出现在井筒附近及开挖平台上部山体表面，与无任何支护措施相比，最大位移值向下转移，出现在1 260.0 m 高程以上10～25 m范围内，最大值为25.8 mm，在围岩位移允许范围内。大部分岩体发生向下的竖向位移，在调压井井口处出现最大值，为33.8 mm。调压井底部因开挖掌子面的存在，围岩向上隆起，产生向上的较小铅垂位移。

（2）施工完成后，典型高程井壁附近围岩径向位移特征图见图4。由图4 可知，调压井开挖使围岩产生一定的变形。在只考虑自重初始应力场的情况下，水平径向位移最大值出现在井壁处围岩。由于地形不对称，调压井附近，东北侧与西南侧围岩位移向井内收敛，呈现内陷现象，东南侧和西北侧从上部向井外位移过渡到井内位移。其中，围岩位移最大为东北向，其次为东南方向和西北向，西南侧位移最小。围岩的变形也反映了调压井圆形断面开挖整体拱效应。东北向围岩位移之所以较大且向井内位移，在于山体地形较高，应力较大，临空面形成时，作用在其上的荷载也较大，产生的位移量相应变大。在山体单薄地表处、井口处及不同围岩介质交界面附近范围出现较大变形区，井内位移主要沿着山脊线的方向，井外位移基本垂直于山脊线方向。调压井径向井内位移位移最大值出现在1 260.0 m高程以上断面的井壁处，井外位移最大值出现在井口附近处。

图4 典型高程断面径向位移等值线图

（1）1 319.2 m 高程以上围岩较差，山体相对单薄，产生的位移相应也较大。故上部山体开挖形成调压井井口平台时，应对开挖面进行处理。

（2）1 260.0 m高程处围岩径向位移向自由面方向发展，因随着深度的增大，地形影响逐渐削弱，围岩变形主要受开挖的影响。

（3）1 211.0 m 高程位移很小，因该高程围岩岩性较好，深度较大，受上部开挖影响较小。

同一高程处调压井井壁附近围岩各向的位移随着开挖深度的增大而变大，表明下层开挖引起上部围岩继续变形。但开挖影响范围有限，1 319.0 m高程围岩位移在前几步开挖位移变化很大，增幅随着开挖的进行，逐渐减小，最终位移趋于稳定。1 255.0 m 高程围岩位移在前几级开挖产生位移很小，当在自身高程开挖步时，位移增幅最大。此外，下部围岩特性较优，位移增幅受开挖影响低于上部围岩受影响程度。围岩固结灌浆处理后，整体位移值变小，与未灌浆处理围岩开挖完成后产生位移相比，围岩变形大大减小，处于围岩稳定要求所允许的范围内。

综上所述，井壁处围岩径向与竖向位移最显著，整体围岩位移自上而下呈递减趋势。随着开挖的进行，围岩产生的位移逐渐增大，但是围岩位移的增幅在减小。最终，围岩位移值不是很大，不会发生水平向位移破坏。固结灌浆对1 260.0 m 高程以上井壁围岩变形改善作用显著，1 260.0 m高程以下围岩虽未进行灌浆处理，但因上部围岩的改善，受影响减小，产生位移相应变小。可见对于地质条件复杂、规模较大的调压井工程，施工过程中单纯的支护不足以维持围岩的稳定，需采用灌浆手段控制围岩的变形量。

2.2 围岩应力特征

一旦开挖，形成临空面后，井壁初始应力释放，造成围岩应力重分布，产生二次应力，井周围岩多次应力场具有以下特性：开挖结束后，1 319.2 m 高程以上围岩主应力以压应力为主；1 260.0 m高程以上调压井开挖影响范围大于井周部分围岩厚度，其应力等值线不仅受开挖影响，还因围岩厚度不等，出现应力等值线不对称分布现象，另外在山体表面、井口处、围岩交界面处，井底出现拉应力，最大值约0.55 MPa；1 260.0 m 高程以下围岩较好，应力等值线较简单，主要受开挖影响；高程1 211.0 m 调压井底部因开挖面存在，出现拉应力区，拉应力值不是很大。

应力计算可知，井壁附近围岩第一主应力在井口处出现拉应力，在井周一定范围内，径向应力释放，压应力比初始应力减小，环向应力比初始应力增大。1 290.0 m高程以上井壁围岩有拉应力出现，1 290.0 m 高程以下井壁围岩主要以压应力为主。因1 260.0 m高程井壁处于不同围岩介质交界处，井底有开挖面存在的缘故，1 260.0 m高程井壁与井底局部围岩出现拉应力，但拉应力值不大。

2.3 围岩塑性区

由于应力作用，使得围岩进入塑性状态。最先进入塑性状态单元是在井口上部山体表面及1260 m 高程以上10～30 m 处井壁岩体，井壁处于长条形单薄山脊中，上部围岩较破碎，同时上部井壁围岩较单薄，故塑性区发展较大，最大值为0.0 033。随着开挖的进行，东北侧井壁首先出现塑性应变，并向下发展，最后扩展到1 260.0 m高程部位。围岩应变沿环向扩展到西北侧与东南侧，径向向更深的围岩发展。上部井筒附近围岩等效塑性应变等值线图见图5，受岩性的影响，1 260.0～1 319.2 m 高程井筒塑性区发育，尤其是在西北侧与东南两侧；1 260.0 m高程以下井筒围岩开挖后，只在高边坡侧出现塑性屈服，且塑性应变很小。可见，经过加固处理，围岩产生的塑性应变得到很好的改善。围岩变形最大屈服区发生在1 265.0 m高程处井壁，深度在10 m以上。1 260.0 m 高程以上25 m 内井壁附近围岩塑性应变超过塑性应变控制标准，故在该部位应进行支护来约束塑性应变的发展。

图5 上部井筒附近围岩等效塑性应变等值线图

3 结论

（1）井壁处围岩径向与竖向位移最显著，整体围岩位移自上而下呈递减趋势。随着开挖的进行，围岩产生的位移逐渐增大，但是围岩位移的增幅在减小。最终，围岩位移不是很大，不会发生水平向位移破坏。

（2）井壁Ⅳ～Ⅴ类围岩超前预固结灌浆加固后，围岩位移、塑性应变大大减小，可见软弱区岩体灌浆处理对保证围岩的稳定是十分必要的，一定程度上也表明围岩自身性质对其稳定性起重要作用。