超大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定分析

超大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定分析

在分析地下孔室群圍巖時，施工挖掘是圍巖重力分布的基本原因。因此,對已定巖體環(huán)境下,影響圍巖穩(wěn)定性最為顯著的就是地下洞室的開挖方式。不同的開挖程序就意味著在時空上以不同的方式對圍巖施加荷載,從而決定施工期內(nèi)圍巖的應力、塑性區(qū)和洞周位移的分布。因此,從穩(wěn)定的角度來研究地下洞室群的開挖程序,特別是高應力區(qū)大型地下洞室群的施工有著重大意義。1級斷層是隧道主井林的核心走向云南某水電站為地下引水式發(fā)電站,總裝機容量為4200MW,其地下發(fā)電廠房樞紐是一超大型地下洞室群。其中主廠房高65.5m,寬29.5m,長325m;主變室高32m,寬22m;長257m;走廊式調(diào)壓井高69.17m,寬29.5m,長251m。另外還有6條引水壓力管道、6條母線洞、2條尾水洞以及交通洞、運輸洞、出線洞和通風洞與之交錯,使地下洞室群龐大且錯綜復雜。地下廠房區(qū)位于黑云母花崗片麻巖層中,巖石致密堅硬,強度較高。各地下工程建筑物的圍巖為微風化至新鮮巖體。廠房頂部覆蓋有380～480m厚的巖體。穿過廠區(qū)有3條順層擠壓的Ⅲ級斷層F5,F10和F11,走向與3大洞室軸線夾角為25°～45°之間,斷層破碎帶平均寬度為3～4.5m,部分有連續(xù)分布的夾泥條帶。根據(jù)地勘報告并通過有限元反演得出的初始應力場表明,地下廠房區(qū)地應力場為自重應力場和構(gòu)造應力場疊加的結(jié)果,其中自重應力場的比重較大。2地下洞穴施工過程中圍巖的穩(wěn)定分析2.1單元網(wǎng)格離散剖分地下洞室的開挖過程實際就是地應力的釋放※調(diào)整※重分布的過程。地下洞室開挖后產(chǎn)生應力重分布局限于洞室附近的圍巖區(qū)域,遠離洞室的圍巖應力場將不受擾動。由于該水電站地下廠區(qū)內(nèi)的地應力測點均在4#,5#和6#機組段內(nèi),計算范圍僅取4#,5#和6#機組長,垂直3大洞室軸線取包括引水壓力管道、主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室以及尾水管長,高度取值為300m。由于斷層F5,F11和F10與廠房縱軸線呈小傾角斜交穿過,在單元網(wǎng)格離散剖分中做了如下簡化,設(shè)斷層F11的位置在4#至6#機組段內(nèi)不變,而斷層F5和F10的位置在4#和5#機組段內(nèi)相同,在6#機組段內(nèi)則分別靠近主廠房下游邊墻和主變室下游邊墻。剖分過程中采用8節(jié)點等參元和部分6節(jié)點等參元。整個計算域共有6174個單元,6832個節(jié)點2.2圍巖穩(wěn)定特性分析對埋深較大地區(qū)的巖體一般表現(xiàn)出彈塑性性質(zhì),因而在研究埋深為300～400m的地下廠房采用彈塑性本構(gòu)模型。由于Drucker-Prager準則考慮了圍巖靜水壓力對屈服特性的影響,并且能反映剪切引起膨脹的性質(zhì),因而在模擬巖石材料的彈塑性性質(zhì)中廣泛應用。本文的圍巖穩(wěn)定分析采用D-P準則。其形式為式中:I1為應力張量第一不變量;J2為應力偏張量第二不變量;C為圍巖粘結(jié)力;φ為圍巖摩擦角。圍巖進入塑性區(qū)后,每一點的庫侖-莫爾圓都是不同的。莫爾包絡(luò)線為一組具有相同φ但C不同的平行直線?？梢奀的變化對計算結(jié)果影響很大。故在程序處理時,當圍巖進入塑性區(qū)后,粘結(jié)力C取平均值,即其中:C0為初始粘結(jié)力;CS為殘余粘結(jié)力。2.3不同分期分塊開挖的方案確定地下發(fā)電廠房系統(tǒng)是由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室3大主要洞室及母線洞、引水管道、尾水洞和其他附屬洞構(gòu)成復雜的大型地下洞室群。由于施工條件的限制不可能全斷面一次開挖成型,而必須采取分期分塊的開挖方式,對于復雜地下洞室群的施工實際上是一個非線性加載過程,即是巖體施工力學的動態(tài)過程。因此洞室不同部位分期分塊開挖的組合對洞群的完建和穩(wěn)定有十分重要的影響。據(jù)此本文中著重研究了3大洞室不同順序的施工開挖方案。結(jié)合施工現(xiàn)場具體條件以及考慮經(jīng)濟、快速等因素,自擬定以下3種開挖方式進行了有限元計算分析:方案1:先挖主廠房和尾水調(diào)壓室,再挖主變室。方案2:先挖主廠房,次挖主變室,后挖尾水調(diào)壓室。(擬二灘水電站地下發(fā)電廠房實際開挖程序)。方案3:主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室同期開挖。3種方案分期分塊開挖施工示意圖見圖1～圖3。3地下洞穴群圍巖的穩(wěn)定結(jié)果3.1分層開挖深基坑底板位移值由于該發(fā)電廠房埋深較大,在自重應力作用下,洞室開挖后各點均有下降的趨勢,3種方案3大洞室開挖后周邊各部位最大位移計算值見表1。(1)在3種施工方案穩(wěn)定計算中,主廠房邊墻最大位移值均發(fā)生在6#機組段下游邊墻中部,其唯一最大值為4.67cm,這是因為下游邊墻有F10斷層通過,加之母線洞的開挖增加了相應變形位移的臨空面。主廠房頂拱的最大位移值沿廠房縱軸向變化不大,方案1在3.4cm左右,方案2在3.9cm左右,方案3在3.8cm左右。主廠房底板回彈變形不大,以方案2的位移值最大,為0.64cm。(2)由于主變室的邊墻相對另兩大洞室的高度較低,上下游邊墻最大位移值均小于頂拱的最大位移值,方案3在6#機組段間頂拱處的位移最大,為4.27cm。上下游邊墻最大位移方案1在2.21～2.67cm之間,方案2在2.48～3.21cm之間,方案3在2.40～3.30cm之間。主變室底板回彈最大值為0.90cm。(3)尾水調(diào)壓室周邊的最大位移值均小于主廠房和主變室,上下游邊墻最大位移為2.47～3.04cm之間,頂拱最大位移為方案3的3.67cm。底板回彈最大位移0.27cm,發(fā)生于方案1的4#與5#機組段之間。(4)在地下洞室施工過程中,后期開挖對前期斷面的位移仍有影響,直至開挖完畢,位移變化才趨于穩(wěn)定。如方案2和方案3中主廠房頂拱形成時頂拱處的最大位移值分別為2.25cm和2.28cm,全部開挖后頂拱最大位移值卻分別增為3.97cm和3.81cm。同時也可以看出方案2由于比方案1多了5步施工步驟,其對圍巖的擾動較大,從而洞室周邊位移值較大。3.2尾水調(diào)壓室上游邊墻和上分層開挖3種方案開挖完成后,其洞周圍巖最大應力值列入表2。由于σz沿洞軸線方向的變化不是很大,故表中僅列出σx和σy的值。可以看出,3大洞室兩側(cè)(垂直于廠房邊墻)有很大的釋放,主廠房和尾水調(diào)壓室邊墻應力釋放后σx近乎為零。例如方案1中主廠房上游側(cè)墻開挖前為24.679MPa,開挖后為-0.171MPa,尾水調(diào)壓室上游邊墻開挖前為18.568MPa,開挖后為0.271MPa。與此同時σy卻有很大程度的增加,在方案1中,主變室上游邊墻開挖前為23.021MPa,開挖后增加至41.930MPa。然而3大洞室頂拱處的應力釋放卻相反,垂直向應力釋放很大,而水平向應力相應增加。如方案1中主變室頂拱開挖前σy為20.682MPa,開挖后減至為3.224MPa;而此處的σx卻從17.954MPa增加至30.082MPa。引水壓力管道和母線洞與主廠房交叉處都有很大的應力釋放,σx甚至出現(xiàn)拉應力,因而易形成較大范圍的應力松弛區(qū),故在施工中應適時加強支護。另外圍巖的應力隨施工開挖的進展而不斷的調(diào)整,特別是主廠房邊墻中下部的開挖,應力釋放較大,松弛區(qū)擴展很大。在施工中需不斷的觀測和及時支護,以防止意外事故發(fā)生。3.3頂拱塑性區(qū)分布3種方案計算結(jié)果表明,無論采用哪一種方案其最終的塑性區(qū)分布規(guī)律基本上相同。主廠房和主變室的周邊均存在塑性區(qū),尾水調(diào)壓室的高邊墻也出現(xiàn)塑性區(qū)。在開挖過程中后期的施工對頂拱塑性區(qū)的分布影響不明顯,但對邊墻的塑性區(qū)影響很大,特別是主廠房洞室中下部的開挖很容易和上游側(cè)的引水壓力管道以及下游側(cè)母線洞等形成多個臨空面,從而使塑性區(qū)得以發(fā)展并快速擴大,說明該工程施工過程主要是高邊墻的穩(wěn)定問題。尾水從塑性區(qū)分布圖看,方案1較方案2和方案3塑性影響范圍小。各方案開挖完成后塑性分布圖分別見圖4～圖6。3.4游邊墻塑性區(qū)的擴展通過3維非線性有限元分析計算,該電站地下洞室群開挖后洞周圍巖的位移和應力以及塑性區(qū)分布符合一般規(guī)律。頂拱和側(cè)墻等部位的最大位移值均在工程安全允許范圍內(nèi)。但應注意以下幾個方面:(1)開挖過程中,后期的施工對上下游邊墻塑性區(qū)擴展有很大影響,甚至局部出現(xiàn)大面積的貫穿。雖然此后的支護計算表明采用系統(tǒng)錨桿可顯著減小塑性區(qū)范圍,在實際施工中仍需加強觀測和支護措施。(2)3條斷層對地下洞室的塑性區(qū)分布有一定的影響,如介于引水壓力管道和主廠房間F11斷層使引水壓力管道與主廠房上游側(cè)之間形成塑性貫通區(qū);F10斷層使6#機組段主廠房下游邊墻產(chǎn)生較大的變位。故在開挖這些部位時應進行預處理和加固措施。(3)與3大洞室相交的尾水隧洞圍巖穩(wěn)定性較好,施工時只要做好各交叉口處的支護就行。由于母線洞的特殊位置,開挖后形成多臨空面,極易出現(xiàn)塑性貫通區(qū),對施工十分不利。因此施工中應重點支護。(4)從3個方案對比來看,方案1從空間角度講對洞室群的穩(wěn)定較為有利。4b開洞和頂拱開挖的影響(1)分期開挖時,前期開挖斷面上的位移受后期施工的影響而變化。同