超大型地下洞室群围岩稳定分析

超大型地下洞室群围岩稳定分析

在分析地下孔室群围岩时，施工挖掘是围岩重力分布的基本原因。因此,对已定岩体环境下,影响围岩稳定性最为显著的就是地下洞室的开挖方式。不同的开挖程序就意味着在时空上以不同的方式对围岩施加荷载,从而决定施工期内围岩的应力、塑性区和洞周位移的分布。因此,从稳定的角度来研究地下洞室群的开挖程序,特别是高应力区大型地下洞室群的施工有着重大意义。1级断层是隧道主井林的核心走向云南某水电站为地下引水式发电站,总装机容量为4200MW,其地下发电厂房枢纽是一超大型地下洞室群。其中主厂房高65.5m,宽29.5m,长325m;主变室高32m,宽22m;长257m;走廊式调压井高69.17m,宽29.5m,长251m。另外还有6条引水压力管道、6条母线洞、2条尾水洞以及交通洞、运输洞、出线洞和通风洞与之交错,使地下洞室群庞大且错综复杂。地下厂房区位于黑云母花岗片麻岩层中,岩石致密坚硬,强度较高。各地下工程建筑物的围岩为微风化至新鲜岩体。厂房顶部覆盖有380～480m厚的岩体。穿过厂区有3条顺层挤压的Ⅲ级断层F5,F10和F11,走向与3大洞室轴线夹角为25°～45°之间,断层破碎带平均宽度为3～4.5m,部分有连续分布的夹泥条带。根据地勘报告并通过有限元反演得出的初始应力场表明,地下厂房区地应力场为自重应力场和构造应力场叠加的结果,其中自重应力场的比重较大。2地下洞穴施工过程中围岩的稳定分析2.1单元网格离散剖分地下洞室的开挖过程实际就是地应力的释放※调整※重分布的过程。地下洞室开挖后产生应力重分布局限于洞室附近的围岩区域,远离洞室的围岩应力场将不受扰动。由于该水电站地下厂区内的地应力测点均在4#,5#和6#机组段内,计算范围仅取4#,5#和6#机组长,垂直3大洞室轴线取包括引水压力管道、主厂房、主变室、尾水调压室以及尾水管长,高度取值为300m。由于断层F5,F11和F10与厂房纵轴线呈小倾角斜交穿过,在单元网格离散剖分中做了如下简化,设断层F11的位置在4#至6#机组段内不变,而断层F5和F10的位置在4#和5#机组段内相同,在6#机组段内则分别靠近主厂房下游边墙和主变室下游边墙。剖分过程中采用8节点等参元和部分6节点等参元。整个计算域共有6174个单元,6832个节点2.2围岩稳定特性分析对埋深较大地区的岩体一般表现出弹塑性性质,因而在研究埋深为300～400m的地下厂房采用弹塑性本构模型。由于Drucker-Prager准则考虑了围岩静水压力对屈服特性的影响,并且能反映剪切引起膨胀的性质,因而在模拟岩石材料的弹塑性性质中广泛应用。本文的围岩稳定分析采用D-P准则。其形式为式中:I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏张量第二不变量;C为围岩粘结力;φ为围岩摩擦角。围岩进入塑性区后,每一点的库仑-莫尔圆都是不同的。莫尔包络线为一组具有相同φ但C不同的平行直线。可见C的变化对计算结果影响很大。故在程序处理时,当围岩进入塑性区后,粘结力C取平均值,即其中:C0为初始粘结力;CS为残余粘结力。2.3不同分期分块开挖的方案确定地下发电厂房系统是由主厂房、主变室、尾水调压室3大主要洞室及母线洞、引水管道、尾水洞和其他附属洞构成复杂的大型地下洞室群。由于施工条件的限制不可能全断面一次开挖成型,而必须采取分期分块的开挖方式,对于复杂地下洞室群的施工实际上是一个非线性加载过程,即是岩体施工力学的动态过程。因此洞室不同部位分期分块开挖的组合对洞群的完建和稳定有十分重要的影响。据此本文中着重研究了3大洞室不同顺序的施工开挖方案。结合施工现场具体条件以及考虑经济、快速等因素,自拟定以下3种开挖方式进行了有限元计算分析:方案1:先挖主厂房和尾水调压室,再挖主变室。方案2:先挖主厂房,次挖主变室,后挖尾水调压室。(拟二滩水电站地下发电厂房实际开挖程序)。方案3:主厂房、主变室和尾水调压室同期开挖。3种方案分期分块开挖施工示意图见图1～图3。3地下洞穴群围岩的稳定结果3.1分层开挖深基坑底板位移值由于该发电厂房埋深较大,在自重应力作用下,洞室开挖后各点均有下降的趋势,3种方案3大洞室开挖后周边各部位最大位移计算值见表1。(1)在3种施工方案稳定计算中,主厂房边墙最大位移值均发生在6#机组段下游边墙中部,其唯一最大值为4.67cm,这是因为下游边墙有F10断层通过,加之母线洞的开挖增加了相应变形位移的临空面。主厂房顶拱的最大位移值沿厂房纵轴向变化不大,方案1在3.4cm左右,方案2在3.9cm左右,方案3在3.8cm左右。主厂房底板回弹变形不大,以方案2的位移值最大,为0.64cm。(2)由于主变室的边墙相对另两大洞室的高度较低,上下游边墙最大位移值均小于顶拱的最大位移值,方案3在6#机组段间顶拱处的位移最大,为4.27cm。上下游边墙最大位移方案1在2.21～2.67cm之间,方案2在2.48～3.21cm之间,方案3在2.40～3.30cm之间。主变室底板回弹最大值为0.90cm。(3)尾水调压室周边的最大位移值均小于主厂房和主变室,上下游边墙最大位移为2.47～3.04cm之间,顶拱最大位移为方案3的3.67cm。底板回弹最大位移0.27cm,发生于方案1的4#与5#机组段之间。(4)在地下洞室施工过程中,后期开挖对前期断面的位移仍有影响,直至开挖完毕,位移变化才趋于稳定。如方案2和方案3中主厂房顶拱形成时顶拱处的最大位移值分别为2.25cm和2.28cm,全部开挖后顶拱最大位移值却分别增为3.97cm和3.81cm。同时也可以看出方案2由于比方案1多了5步施工步骤,其对围岩的扰动较大,从而洞室周边位移值较大。3.2尾水调压室上游边墙和上分层开挖3种方案开挖完成后,其洞周围岩最大应力值列入表2。由于σz沿洞轴线方向的变化不是很大,故表中仅列出σx和σy的值。可以看出,3大洞室两侧(垂直于厂房边墙)有很大的释放,主厂房和尾水调压室边墙应力释放后σx近乎为零。例如方案1中主厂房上游侧墙开挖前为24.679MPa,开挖后为-0.171MPa,尾水调压室上游边墙开挖前为18.568MPa,开挖后为0.271MPa。与此同时σy却有很大程度的增加,在方案1中,主变室上游边墙开挖前为23.021MPa,开挖后增加至41.930MPa。然而3大洞室顶拱处的应力释放却相反,垂直向应力释放很大,而水平向应力相应增加。如方案1中主变室顶拱开挖前σy为20.682MPa,开挖后减至为3.224MPa;而此处的σx却从17.954MPa增加至30.082MPa。引水压力管道和母线洞与主厂房交叉处都有很大的应力释放,σx甚至出现拉应力,因而易形成较大范围的应力松弛区,故在施工中应适时加强支护。另外围岩的应力随施工开挖的进展而不断的调整,特别是主厂房边墙中下部的开挖,应力释放较大,松弛区扩展很大。在施工中需不断的观测和及时支护,以防止意外事故发生。3.3顶拱塑性区分布3种方案计算结果表明,无论采用哪一种方案其最终的塑性区分布规律基本上相同。主厂房和主变室的周边均存在塑性区,尾水调压室的高边墙也出现塑性区。在开挖过程中后期的施工对顶拱塑性区的分布影响不明显,但对边墙的塑性区影响很大,特别是主厂房洞室中下部的开挖很容易和上游侧的引水压力管道以及下游侧母线洞等形成多个临空面,从而使塑性区得以发展并快速扩大,说明该工程施工过程主要是高边墙的稳定问题。尾水从塑性区分布图看,方案1较方案2和方案3塑性影响范围小。各方案开挖完成后塑性分布图分别见图4～图6。3.4游边墙塑性区的扩展通过3维非线性有限元分析计算,该电站地下洞室群开挖后洞周围岩的位移和应力以及塑性区分布符合一般规律。顶拱和侧墙等部位的最大位移值均在工程安全允许范围内。但应注意以下几个方面:(1)开挖过程中,后期的施工对上下游边墙塑性区扩展有很大影响,甚至局部出现大面积的贯穿。虽然此后的支护计算表明采用系统锚杆可显著减小塑性区范围,在实际施工中仍需加强观测和支护措施。(2)3条断层对地下洞室的塑性区分布有一定的影响,如介于引水压力管道和主厂房间F11断层使引水压力管道与主厂房上游侧之间形成塑性贯通区;F10断层使6#机组段主厂房下游边墙产生较大的变位。故在开挖这些部位时应进行预处理和加固措施。(3)与3大洞室相交的尾水隧洞围岩稳定性较好,施工时只要做好各交叉口处的支护就行。由于母线洞的特殊位置,开挖后形成多临空面,极易出现塑性贯通区,对施工十分不利。因此施工中应重点支护。(4)从3个方案对比来看,方案1从空间角度讲对洞室群的稳定较为有利。4b开洞和顶拱开挖的影响(1)分期开挖时,前期开挖断面上的位移受后期施工的影响而变化。同