主厂房顶拱及高边墙围岩稳定控制

主厂房顶拱及高边墙

围岩稳定控制研究

xx项目部xx1、工程特点2、变形成因及控制原则3、高边墙变形控制手段4、各种针对性处理措施5、施工期围岩监测数据分析6、施工期围岩动态反馈分析7、三维弹塑性分析8、二维弹塑性分析9、结论主要研究内容1、工程特点

xx水利枢纽地下电站主厂房长311.3m，宽32.6m，高87.5m，其开挖跨度及高度均属目前国内工程第一，三峡地下厂房岩性主要为花岗岩，以Ⅰ、Ⅱ类围岩为主。其顶拱覆盖层较薄，平均覆盖厚度为60~70m，其中最薄处仅为35m，其顶拱分布有42个不稳定块体，下游边墙分布有6个大的不稳定块体，在开挖过程中，顶拱及高边墙的稳定极为突出。2、变形成因及控制原则高边墙变形是指直立高边墙在地应力作用下产生的弹塑性变形。对于处在临界稳定状态中的山体，在进行地下工程开挖施工过程中，整个山体的应力进行重分布，在应力重分布过程中山体出现变形对地下工程中高边墙的影响。针对主厂房开挖跨度大、边墙高，顶拱覆盖层薄、不稳定块体多、且其周边跨引水、母线洞、施工支洞、进厂交通洞、尾水等等因素的影响，本工程将主厂房共分Ⅹ层开挖，分层高度8～9米，所有开挖界基面采用光面或预裂爆破，以减少爆破松动圈范围，加强施工期安全监测，建立安全预报及信息反馈制度。3、高边墙变形控制手段从高边墙开挖就开始变形，直到洞室围岩重新达到临界稳定状态，达到临界稳定状态这个过程相对很漫长。主要从以下几个方面着手控制：（1）、锚杆支护；（2）、喷钢纤维砼支护；（3）、系统排水孔支护；（4）、锚索支护；（5）、布置锚杆（锚索）应力计；（6）、收敛变形观测；（7）、爆破控制；4、各种针对性处理措施（1）、处理好厂房周围探洞、排水关系；（2）、针对性的采取合理的分层分序方案；（3）、界基面采取光面或预裂爆破，通过控制质点振动速度减少爆破松动圈范围；（4）、建立快速反应机制及预警机制，正确处理开挖与支护的关系；（5）、利用监测信息反馈，总结优化施工方案，从而实现信息化管理；5、施工期围岩监测数据分析

施工过程中，随着地下厂房的逐步下挖，围岩边界条件不断发生变化，应力重新分布，洞周围岩位移不断增大，各测点变形体现的规律性主要表现在以下几方面。5.1、位移量的统计规律；5.2、位移在空间的变化规律；5.3、锚杆应力变化规律；5.4、锚索荷载变化规律；6、施工期围岩动态反馈分析

工程岩体是一个高度复杂的不确定系统，根据施工过程中的现场监测数据反演分析岩体的力学参数及初始地应力等，以此对后续开挖岩体的变形性态及其稳定性作出预测是围岩动态设计与施工理念中的一个十分重要的步骤。围岩位移反分析过程主要分为正向计算和反演分析两部分。正算部分流程图反演部分流程图7、三维弹塑性分析

根据拟定的开挖和支护顺序，以下列5种方案对地下厂房开挖支护后的围岩稳定性进行了分析和计算。方案1：按正常开挖支护顺序计算分析；方案2：在方案1的基础上，开挖Ⅳ、Ⅴ层之间，增加一计算施工开挖层；方案3：在方案2的基础上，对开挖的Ⅴ层进行滞后支护；方案4：在方案1的基础上，将尾水洞留在最后一步开挖；方案5：在方案1的基础上，不保留机坑间岩墩。7.1、洞室围岩位移及变形规律地下洞室开挖完成后关键部位最大位移值及其分量位移

单位：mm洞室部位结构部位及相应的代号最大位移出现部位主厂房顶拱（A）4.66-7.070.068.47发生在2＃机组段内上游拱座（B）17.13-3.52-1.3917.54发生在3＃机组段内上游拱座F84出露部位下游拱座（C）-16.24-5.64-0.9217.21发生在2＃机组段内靠近下游拱座F84出露部位上游吊车梁（D）39.375.69-17.2943.37发生在2＃机组段内上游吊车梁F84出露部位下游吊车梁（E）-41.03-0.483.0041.14发生在2＃机组段内下游吊车梁F84出露部位上游边墙（F）45.75-8.98-4.4346.84发生在2＃与3＃机组间上游边墙F20出露部位下游边墙（G）-54.910.259.9355.80发生在2＃机组段内下游边墙F20出露部位上游机窝边墙（J）39.8236.08-80.0496.41发生在2＃、3＃机组间上游机窝边墙F20出露部位下游机窝边墙（K）-3.154.2359.4659.70发生在3＃机组段内下游机窝边墙F20出露部位机窝底板（L）6.841.002.917.50发生在3＃机组段内底板F20出露部位①、地下洞室开挖后，主厂房洞周岩体朝洞内变形，围岩顶拱变形不大。在开挖到Ⅱ-1层时拱顶部位出现起拱现象，其中在进行Ⅲ-1步及Ⅳ步开挖时变形又略有下沉，整个开挖过程中铅直方向变形值在-1.31㎜～0.23㎜之间。上下游边墙向洞内水平变形为主，底板以卸荷回弹变形为主。随着开挖步下延，洞室底板及边墙向洞内的位移量逐渐增大。吊车梁部位变形量值随开挖的进行不断增加，但变形趋势逐步趋缓且主要以水平方向的变形为主。②、全断面开挖完成后（包括引水洞、主厂房、母线洞、尾水洞洞群的开挖），主厂房顶拱的变形量一般为2.0～3.0mm之间，顶拱有断层出露，变形偏大，最大量值为8.47mm，其中下沉变形为7.07mm，出现在1＃、2＃机组段之间靠近2＃机组段顶拱部位。上下游吊车梁部位位移值分别为9.46mm、16.25mm之间。上、下游边墙的位移值一般为10.0～20.0mm、7.5～15.0mm。断层对边墙的变形影响较大，上、下游边墙的最大位移分别为46.84mm，55.80mm,分别出现在2＃、3＃之间以及3＃机组段内断层F20出露部位。机窝边墙的位移一般为7.0～12.5mm，最大位移分别为96.41mm、59.70mm，分别出现在2＃、3＃之间以及3＃机组段内断层F20出露部位。底板的一般位移为1.0～4.0mm，最大位移为7.50mm，出现在3＃机组段内底板F20出露部位。③、在实际开挖步Ⅳ、Ⅴ层之间，增加一计算施工开挖层，Ⅴ层开挖完成后，对主厂房65.3m以上部位，两种开挖方案位移值略有增减，整体变化很小。在Ⅴ层下游部位，方案2变形量值小于方案1，不同剖面分别减小约0.18～1.87㎜。对比方案2及方案3，由于方案3支护滞后，导致Ⅴ层下游部位位移值较方案2略大，对其他部位影响甚微。④、尾水洞不同施工开挖顺序对主厂房围岩变形影响较小，两种开挖方案厂房边墙不同部位位移值略有增减，整体变化很小。对于机坑间不保留岩墩方案，围岩变形规律是除个别部位外，厂房围岩变形普遍增大，其中厂房边墙中下部增加较为明显。1#、4＃剖面变形最大增加值分别为8.3㎜、9.14㎜，出现在1#剖面上游边墙45m及4＃剖面下游机窝34m处。7.2、洞室围岩的应力分布规律整体开挖完毕后，主厂房顶拱及底板基本处于受压状态，应力量值一般在8.0～12.0MPa、10.0～18.0MPa之间；靠近下游拱座断层附近围岩应力出现较明显的压应力集中。机窝底板拐角处切向应力集中，最大压应力值为68.2MPa。开挖过程中，主厂房边墙应力变化规律为切向应力随开挖增大，径向应力减小。开挖完成后，上、下游边墙出现了一定范围的应力松弛区，围岩压力为低压应力状态，切向压应力一般为2.0～10.0MPa,在洞室交叉部位出现应力集中现象。边墙围岩内分布小范围的拉应力区，最大拉应力值约为1MPa。不同计算方案应力分布情况大体相同，只在局部量值略有变化。7.3、围岩塑性区分布规律地下洞室群整体开挖结束后，主厂房的上下游侧墙以及各洞室交叉部位、机组尾水洞洞周等部位均产生了一定范围的塑性区，其各主要洞室塑性区分布如下。①、厂房洞周的塑性区的分布范围受断层等地质缺陷影响很大，在没有断层出现的部位塑性区范围较小，主要分布在上下游边墙围岩内，延伸深度约3.0～7.0m。如有断层出露，围岩内的塑性区分布范围明显增大，洞周围岩与断层交汇区域大部分进入塑性应力状态。主厂房端墙出现深度不大于7.0m的塑性区，机窝隔墩大部分处于压剪或拉剪屈服状态，底板塑性区厚度一般不超过5.0m。②、引水及尾水洞洞周除临近主厂房侧墙部位以及与断层相交处有一定范围的塑性区存在，其余部位围岩只出现少量的塑性区。③、方案2、方案3及方案4由于只是采用不同施工开挖方式，故开挖完成后洞周围岩塑性区的分布规律与方案1基本相同。④、方案5由于清除了大部分处于屈服状态的机窝隔墩，使得机窝部位塑性区比方案1明显减小，其他部位变化不大。7.4、锚杆应力分布规律随着洞室开挖的下延，洞周系统锚杆的应力值大多逐渐增大。洞室开挖完成后，厂房顶拱部位的锚杆应力分布不均匀，张拉锚杆的锚杆应力较大，一般为220～270MPa之间，砂浆锚杆的应力一般为数十MPa。厂房机窝边墙及底板的锚杆应力也变化较大，大部分锚杆应力值一般为30～150MPa,部分锚杆应力大于200MPa，局部锚杆应力已达到了屈服极限。厂房边墙的锚杆应力一般在60～270MPa之间。厂房洞周布置的预应力锚索应力大部分分布在1000～1700MPa,个别锚索应力已达到屈服极限。由于洞周岩体分类不均匀导致锚杆和锚索受力不均匀，因此在设计锚固支护参数时，应根据岩体类型适量增加一些随机锚杆或锚索结构。8、二维弹塑性分析根据爆破松动圈范围，采用爆破松动圈入岩范围分别为2m、6m。计算模型中按上述爆破松动圈划分考虑了围岩力学参数的弱化。围岩松动圈随洞室施工开挖形成，即在当前开挖步，主要为应力开挖释放模拟；在下一开挖步，模拟上部开挖形成的围岩卸荷带，降低其力学参数进行分析。根据开挖与支护方式，共完成了3种方案的计算，分别为：方案1：按正常开挖支护顺序计算分析，其中爆破松动圈的范围取2m；方案2：按正常开挖支护顺序计算分析，其中爆破松动圈的范围取6m； 方案3：在方案1的基础上，对开挖步Ⅴ步，先挖中间导坑，再挖3m厚的岩体边墙保护层。8.1、开挖位移与变形分析①、随着开挖步的进行，上、下游边墙的变形逐渐增大，在厂房边墙断层出入的地方变形较大。拱顶在开挖过程中变形规律是先下沉再随开挖进行到岩锚梁底部高程时开始出现起拱现象。②、开挖结束后，主厂房上、下游侧墙均向洞内变形，以▽45.0m高程为分界线，上部位移近水平略向上，下部位移近水平略向下，厂房顶拱略向上抬，底板位移近水平略向上。边墙的变形受断层产状的影响，下游边墙位移大于上游边墙，且最大位移值均出现在断层与下游边墙围岩相交部位。③、爆破松动圈的范围取2m时主厂房上游侧墙位移值为10.8～19.5mm，下游侧墙位移为17.4～40.7mm；上游机窝边墙位移值为10.7～37.0mm，下游机窝边墙位移为11.0～37.4mm；拱顶上抬为1.65～3.32mm，底部回弹变形为0.1～13.7mm。最大变形值出现在下游侧墙F84与厂房边墙相交部位，其值为40.7mm。④、爆破松动圈的范围取6m时除顶拱部位上抬位移减小约0.8㎜外，其他部位位移增加值在0.7～4.8㎜之间，增加幅度为3.5～34.3％，其中底板部位增幅最大。⑤、在开挖过程中，对开挖步Ⅴ步，先挖中间导坑，再挖3m厚的岩体边墙保护层与爆破松动圈的范围取2m时相比：位移形态相同，整体边界位移量值均有不同程度的减少，减小值在0.1～1.8㎜之间，减幅为0.4～12.9％，其中底板部位减幅最大。可见通过优化施工开挖顺序能起到减小围岩变形的作用。8.2河、围岩会的应力稻分布规窗律分析①、随缘瑞着主厂叶房的不神断下挖战，应力演场逐步米调整变决化，围减岩径向笼应力释毒放，切丧向应力茶增加。渔第三主掀应力3（径向殃应力）接懒近垂直于敬开挖面方永向，局部记由压应力筹变为拉应把力；第一牛主应力1（切向疤应力）接炭近平行于锁开挖面方顿向。②、全断座面开挖完等成后，主田厂房拱顶诸和底板基古本上处于日受压应力墙状态，拱数顶最大切隆向应力分己为4.7裳6MPa促，出现在溉靠近下游懒拱座部位殃；底板的纤最大切向醉应力为1制1.21盖MPa，杆出现在底丑板与下游危机窝侧墙迷相交部位储。上下游洗侧墙围岩签一般处于划低压或拉丝式应力状态友，应力值昂多在1～输2MPa奶之间。机哑窝边墙围额岩应力集帜中程度较信高，上游释机窝边墙怎最大主压草应力为7巷.42M韵Pa，下副游机窝边笋墙的最大独主压应力寸为6.5榆0MPa扫。③、整并体开挖离完成后斯，厂房径周边围损岩出现怜大片的步拉应力缝区。受狂拉区主拼要集中厘在：主详厂房上枯下游边腊墙部位鹊、断层间与边界载交汇的绝三角区尿域内及修沿断层假向围岩惯深部延集伸，其汇中下游兼边墙围鹿岩的拉村应力区烂大于上枣游边墙递的，上射游边墙童的最大食拉应力呢为0.棍50M刮Pa，矿下游边异墙的最陶大拉应纹力为0协.95繁MPa赛。④、方案详2与方案建1相比，者由于爆破穷松动圈范皂围的扩大膏，洞周围大岩和断层来岩石力学咽参数差异臂减小，主录厂房底板断部位应力孩集中的现狗象得到一射定的改善倡，其他部幼位变化不殃大。方案馒3与方案妈1相比，严由于只是肉对开挖顺伏序进行了款调整，故粪开挖后应奇力分布情舟况与方案们1基本相授同。1＃剖面开挖旋完成后最茄大主应力恶图（方案钱1）1＃剖面开挖唉完成后最得小主应力堵图（方案残1）1＃剖面开挖洞完成后拉仁应力图（泳方案2）1＃剖面开挖纳完成后拉同应力图（筑方案3）8.3、捞锚杆和锚估索应力分杜布规律整体开之挖完成瓣后，主倚厂房顶猎拱部位钉的张拉惨锚杆应舒力值在旗111腔～20级3MP宝a之间匠，其中济下游拱循座部位爪锚杆应滔力最大找，普通稼锚杆应叮力值在骡4～1层22M泛Pa之期间。上损、下游侍侧墙的早锚杆应榆力值受只洞周断魄层及附辛近洞室饲弱化的剧影响，罩应力分还布不均益匀，大卸部分普那通锚杆机应力值便一般小驱于20渐MPa顶，张拉泄锚杆应未力值在喘100棵MPa胸左右，树但在洞培室交叉恭部位、显上下游猾侧墙断混层出露忽部位及顺底板处脖锚杆应投力较大反，其中咐底板断永层出露舅部位锚率杆应力山最大，语该部位鹅锚杆最清大应力针值达3译68M多Pa，怒少量锚晚杆已经央屈服。殃预应力裁锚索应妇力值在膨127罩5～1崭386插MPa样之间，饺其中最沫大应力郊值出现叔在下游锅侧墙母顽线洞下舞部断层矩出露处粘。8.4革、塑性临区分布①、开圈挖完成抹后，塑冷性区主征要出现损在断层索与厂房趴边墙、锁厂房边颠墙与洞舍室交叉阻部位、挠机窝拐登角处，拖下游边桨墙塑性谜区分布燥范围要红远大于鸦上游边强墙，塑馒性区以晓压剪屈他服为主线。厂房上上游边饭墙引水流洞附近卫及断层餐出露处记塑性区首深度一仰般在6潜m以内遮，最深程不超过凯14m气；下游墙边墙与窝断层相谱交的三浊角形区失域出现胃大片压丘剪屈服避区，分熟布范围来几乎遍市布整个总下游边速墙；在歉下游边厌墙还有湿沿断层疫向深部责岩体发奴展的塑把性区，登上部最使深处可即达47馒m。厂柿房底板湖也分布想深度不摄超过6尘m的塑盼性区。②、方屿案2与崖方案1遭相比，棚塑性区进分布规这律相同皱，由于汁爆破松铸动圈范需围的扩葛大，塑犬性区范盼围有所厅增加，棍增幅为芒18.矿5％。抽方案3橡与方案喇1相比僵，塑性蜂区分布虾范围及荡规律相喊同。9、结肃论大型地下境洞室群的晓施工开挖螺是一个十怪分复杂的榴过程，其腔围岩性状令与变形特像征受施工砌方法、开坊挖顺序、铜支护时间榆以及环境盯条件等诸饿多因素的绩影响，具贫有高度的伐不确定性热。基于现促场监测数蛾据对岩体楚力学参数渔进行反演密分析，以璃此对后续锋开挖岩体宰的变形与搅稳定性作誓出预测是从围岩动态仍设计和施妻工理念中金的核心内锈容之一。钟本课题在许对三峡地埋下厂房开小挖过程中何的围岩监际测资料进枯行系统分争析的基础奔上，以数才值分析方搭法为手段啄，引入了概人工神经默网络和遗猜传算法，民将其与均伐匀设计方逼法相结合涂，建立了迅地下工程蠢围岩参数鲁的综合反合演方法；谦对三峡地业下厂房区圆的岩体力告学参数进丹行反演分充析，并运裕用反分析建结果对厂盟房后续开直挖变形及计围岩稳定窑性作出分挺析与预测宅，得到结征论如下：①、地窃下洞室衬开挖后略，主厂劳房洞周绞围岩朝机洞内变碰形，吊栏车梁及范上下游疾边墙以竹向洞内饶水平变格形为主泛，拱顶彻部位出骑现起拱今现象，逆底板以包卸荷回串弹变形保为主。编围岩变喇形量一输般多在辽几mm馆到十几商㎜之间街。断层殊对边墙饲的变形估影响较清大，断连层出露用处变形趴显增加剪。上下胀游边墙党断层出捎露处的述位移最躲大分别录达46搂.8m够m，5伍5.8音mm,魄机窝去边墙的茎最大位写移分别勺为96厚.4m采m、5刚9.7母mm，菜是围岩倡一般位愤移值的幼5～8羡倍。②、由亭三维计姿算结果时可得：偶厂房顶摩拱部位厕在开挖贩到Ⅱ-怖1层时预出现起屠拱现象街，其中沉在进行率Ⅲ-1诊层及Ⅳ旗层开挖企时变形起又略有弦下沉。醉吊车梁铲部位变苍形量值闲随开挖交的进行应不断增续加，但检变形趋予势逐步赚趋缓且苏主要以沸水平方滨向的变致形为主宋。若在锁实际开饮挖步Ⅳ姿、Ⅴ层侦之间，道增加一伏计算施关工开挖容步，在鸡Ⅴ层下锤游部位俱，变形康量值有译所减小纷，其他像部位基恐本相同勤。对于阔支护滞炎后方案么，主要侵导致Ⅴ样层下游更部位位雨移值略箭大。尾踩水洞采肠用不同闲施工开挎挖顺序闯对主厂希房围岩塌变形影把响较小嚷，不同裹开挖方夫案厂房宜边墙位晴