深埋硬岩隧洞的开挖与系统支护优化设计.doc

深埋硬岩隧洞的开挖与系统支护优化设计 单卫华 曾健（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川成都，611130）摘要：论文针对锦屏级水电站2#引水隧洞类围岩的开挖与支护进行了数值计算，并提出了相关的优化设计建议。现场开挖和计算结果表明，隧洞围岩稳定性较好，塑性区扩展深度也较小，即便考虑锚杆的安全储备，目前系统支护的锚杆长度也偏保守。论文也附带论述了初期支护的方法。关键词：引水隧洞 随机支护 系统支护 锚杆 塑性区1 引言随着岩石力学的发展和锚喷支护的应用，逐渐形成了支护于围岩共同作用的现代支护结构原理，应用这一原理就能充分发挥围岩的自承力，从而获得极大经济效果。发挥围岩的自承能力，一方面要求快速支护，紧跟作业面支护，预先支护等手段限制围岩进入松动；另一方面也要求采用分次支护、柔性支护等手段允许围岩进入一定程度的苏醒，以充分发挥围岩的自承能力。现代支护原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。采用柔性支护、分次支护或封闭支护，以及深入围岩内部进行加固的锚杆支护，都具有充分发挥材料承载力的效用。目前国内广泛引用的锚喷支护类型有如下六种：（1）锚杆支护；（2）喷射混凝土支护；（3）锚杆喷射混凝土支护；（4）钢筋网喷射混凝土支护；（5）锚杆钢架喷射混凝土支护；（6）锚杆钢筋网喷射混凝土支护。在具体工程中，要结合现场围岩的稳定性和工程地质条件灵活运用一种或多种支护类型。2 工程地质概况锦屏级水电站位于四川省凉山彝族自治州境内的雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上，系利用雅砻江锦屏150km长大河弯的天然落差，裁弯取直凿洞引水，如图1.1所示，额定水头288m的优越水力条件。电站装机容量为4800MW，单机容量600MW，多年平均发电量242.3亿kWh，保证出力1972MW，年利用小时5048h。它是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站，属雅砻江梯级开发中的骨干水电站。工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。锦屏级水电站2#引水隧洞为四心马蹄形断面，如图1所示。采用钻爆法施工，分上下台阶开挖，下台阶落底一般滞后上台阶掌子面2000m左右。隧洞在埋深1500米左右洞段岩性主要为T2y5的中粗晶厚层或中厚层大理岩，颜色以灰白的和灰黑色为主，地下水不甚发育，该洞段节理面发育主要以张性节理和剪切节理为主，多为陡倾角节理。从开挖揭露的情况看，围岩以类围岩为主，稳定性较好。图1 2#引水隧洞断面型式示意图3 围岩稳定性分析从现场施工情况来看，大理岩强度较高，类围岩在无任何支护情况下也有很好的稳定，类围岩也有一定得自稳能力。为了更好的理解开挖对围岩稳定性的影响，需进行数值分析。本次数值计算针对T2y5的类围岩采用基于摩尔库伦准则的理想弹塑性模型，模型参数如表1所示，计算模型尺寸如图2所示。表1 数值计算采用的参数弹性模量（MPa）泊松比粘聚力(MPa)内摩擦角（）抗拉强度（MPa）12.00.2311.223.91.5围岩开挖后，支护设计首先要保证围岩不至于破坏，影响工作人员的生命安全和设备的正常使用，其次要保证洞壁围岩不产生过大的形变位移。所以此次计算首先关注的是开挖产生的塑性区和形变位移场，图3为计算所得的塑性区分布云图。从图3中可以看出，塑性主要分布在隧洞腰线以上的围岩体中，塑性在隧洞南侧腰线和图2 计算模型尺寸示意图北侧拱肩处扩展深度较大，塑性区最大深度为3.2m。从理论上讲，岩体进入塑性状态并不等同于岩体物理意义上的断裂，但在节理面，特别是有陡倾角节理面发育的部位，进入塑性状态的岩体会导致岩体中结构面进一步扩张，洞壁岩块最终在不平衡力系作用下坍塌。图4为计算所得的位移分布云图，从图中可以看出，最大位移出现在隧洞拱顶南侧和拱底北侧处，最大位移值达34mm。对类围岩来说，岩体中节理裂隙相对发育，过大的形变位移会使得岩体中结构面进一步扩张，导致岩体强度降低。图4 位移分布云图图3 塑性图示意图总体上来说，1500m埋深洞段类围岩自身稳定性较好，主要问题不是变形问题，而是表层片帮、中等及以下强度的岩爆、应力型坍塌等破坏问题，今后的支护施工中，强调支护的及时性、表层支护如喷层的质量、厚度以及锚杆垫板的作用，这些对于控制片帮发展的作用越来越重要。4 系统支护参数优化建议4.1 优化建议表2为目前埋深1500米洞段的系统支护参数。单从锚杆长度来讲，该洞段系统设计锚杆长度为4.56.0m，而实际上，此处最大塑性区深度为3.2m，锚杆伸入处于弹性状态的岩体中那段，几乎没有发挥锚杆应有的作用，造成不必要的浪费，即使考虑维持围岩长期稳定， 表2 系统支护参数岩性埋深（m）围岩等级支护参数大理岩1500边顶拱喷射CF30（硅粉）钢纤维混凝土，厚度为10cm；顶拱280范围设置中空注浆锚杆28，1.51.5，L=4.56.0m。需要有一定安全储备，系统支护设计的锚杆长度也偏于保守。而且从塑性区分布规律来看，塑性区在洞周环向上分布并不均匀。系统支护的锚杆长度也没有考虑塑性区的这种分布特性。综合上述分析，建议锚杆在塑性区扩展较大的区域（隧洞北侧上边墙、拱顶北侧以及南侧腰线附近）采用28、L=4.0m的中空注浆锚杆，而在塑性区扩展较小的区域采用长度L=3.0m的中空注浆锚杆。在塑性区扩展深度较小的部位，形变位移发展较为显著，而锚杆正是依靠围岩的形变位移传递荷载，故可以考虑在此部位增大锚杆的直径或增加锚杆的布置密度。4.2 支护施工建议对于II、III类围岩中等岩爆及以下程度的破坏，设计系统支护形式主要包括喷层、挂网、系统锚杆，强烈岩爆及以上程度的破坏，则增加了格栅拱架或型钢拱架以及水胀式锚杆。从控制岩爆的角度讲，这样的设计支护方案没有问题，各支护单元协同作用，提供了围岩支护所需要的功能。但要保证这些支护单元真正能够协同工作，必须具有合理的施工顺序、技术要求和合格的施工质量。因此，需要明确协同工作对支护施工的技术要求：(1)挂网必须紧贴岩面才能对围岩表层施加一定的作用力，起到支撑的作用，这就要求锚杆的垫板也必须紧贴岩面，以垫板来为挂网提供支撑点，保证其有效的起到作用。另外，要保证焊接式钢筋网之间能够协同作用，必须保证钢筋网具有足够的搭接长度和焊接质量。另外，现场焊接式钢筋网的焊点质量也是需要重视的问题，经常会出现焊点手掰即断，很多焊点在尚未挂到岩壁之前就已经发生断裂。(2)挂网后及时地喷混凝土是很重要的，这样可迅速的在洞壁形成一个承载体，这对于控制片帮、剥落破坏非常重要。a锚杆要使用大垫板，且必须紧贴岩面，垫板不仅作为挂网的支撑点，还可对表层围岩施加一定的支撑力，对控制围岩破裂片帮等破坏可起到重要的作用。目前，现场使用的垫板较小，厚度较薄，且未保证垫板与岩面的贴合。b如果施作格栅拱架或者钢拱架，则需要保证格栅拱架之间具有较好的连接，同时利用它将钢筋网紧压在岩面上，同时与锚杆连为一体，共同构成一个相互作用的整体。c采用双阶段法进行支护，即先喷层加水胀式锚杆支护，然后系统支护，水胀式锚杆也应具有垫板，如图55所示，现场未发现已经施工的水胀式锚杆有垫板，实践证明，无垫板的水胀式锚杆对控制表层围岩破裂、片帮等破坏作用不明显，在加上垫板，且保证垫板紧密贴合岩面后，可有效地改善这一问题。5 结论从现场破坏情况来看，地应力、本构模型和岩体力学参数及相应分析的结果能较好的模