積石峽水電站導流洞交叉段水平層狀巖體穩定數值仿真分析

蘇曉軍，李 龍，益 波

（1.黃河上游水電開發有限責任公司工程建設分公司，青海 西寧 810000；2.中國水利水電第四工程局有限公司第一分局，青海 西寧 810006；3.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065；）

1 工程概況

積石峽水電站中孔泄洪洞采用 “龍抬頭”形式與導流洞結合布置，開挖斷面均為13 m×15 m，結合部位交叉角 19.9°，形成跨度 28.4 m、 高度 20.59 m的城門洞形大斷面洞室。

交叉段巖性為礫巖、中細砂巖和泥質粉砂巖，巖層產狀NE13°SE∠13°，巖性呈軟硬相間互層狀分布，拱頂上方有一厚3～10 cm的軟弱夾層穿過，洞室埋深大于100 m；該段巖體弱風化，巖體中發育有三組中陡傾角裂隙，完整性差，基本屬Ⅲ類圍巖，局部為Ⅳ類圍巖，圍巖整體穩定性差，特別是洞頂部位易發生坍塌掉塊。因中孔泄洪洞開挖在先，當導流洞掘進至導 0+217.15（中 0+235.39） 樁號時，兩洞室交角小，上游側巖墻厚度極?。ㄗ畋√幉蛔? m），兩洞室相交后存在大跨度洞室和兩洞室間巖墻穩定問題。故交叉段洞室的開挖方案、支護方式及混凝土襯砌方案的選擇對洞頂圍巖的穩定、工程安全影響很大，為此，對不同開挖和支護方案下施工期圍巖的穩定進行了數值仿真分析。

2 初步擬定的施工方案和加固措施

考慮到交叉段斷面不僅洞徑大，而且洞頂有軟弱夾層穿過、圍巖成層狀分布等具體情況，擬定了5種開挖和支護方案進行比較分析（見圖1）。由于該洞段圍巖基本屬于III類圍巖，所以各方案支護都是緊跟掌子面進行，支護參數見表1。其中，方案1、2、3在上部7 m擴挖后預留巖坎，在圖1a、b、c中陰影部分設置鋼管柱（直徑為1 m）支撐頂拱，再按設計要求進行支護和預應力錨索施工及混凝土澆筑襯砌施工。

圖1 各方案開挖施工順序及支護示意

3 施工期圍巖穩定性數值仿真分析

應用從奧地利引進的大型巖土工程數值仿真分析系統FINAL，模擬該交叉段的施工過程和支護措施，分析比較不同開挖和支護方案下施工期圍巖和支護的穩定性。

數值仿真計算時，巖體采用三角形6節點等參元模擬，視為彈塑性介質，采用Mohr－Coulomb準則判斷是否進入塑性屈服狀態?；炷羾妼?、襯砌采用曲梁單元模擬，采用彈性本構模型。軟弱夾層不連續面采用節理界面單元模擬，該單元可考慮軟弱夾層的張開、閉合和滑移，按彈塑性本構關系考慮。預應力錨索和錨桿采用錨桿單元模擬，按彈性考慮，該桿單元可考慮桿體與巖體間的粘結力，模擬預應力錨索或預應力錨桿時，將自由部分的桿體與巖體間的粘結力取為很小的值，激活桿單元的同時在張拉端施加張拉力，同時對巖體施加反向壓力。交叉洞段斷面的有限單元網格見圖2，巖體力學參數見表2。

圖2 地質剖面及單元網格

現場地應力測試表明，該區域無構造應力，初始地應力以自重應力為主。隧洞開挖后應力釋放，初始地應力場將重新分布，與支護時機以及圍巖變形模量的釋放有關。在掌子面接近分析斷面時，分析斷面內部初始地應力開始釋放轉移，斷面內開挖單元的變形模量由原值E降到aE，根據變形模量的釋放，隧洞開挖輪廓周邊上的等效節點荷載為

表1 支護參數

表2 圍巖物理力學參數

式中，{ΔFA}為地應力釋放荷載向量；[B]為應變矩陣；{σ0}為初始應力向量；α（0≤α≤1.0）為空間橋跨效應系數，可根據三維解析或實測得到；A為微元的面積；SA為積分區域。

分析斷面距掌子面一定距離時，瞬時施做噴錨支護，瞬時激活預先布置的無剛度、無應力的曲梁單元和桿單元，在整體剛度矩陣中增加曲梁單元和桿單元的剛度貢獻，即考慮支護時機。系數α與分析斷面和掌子面的距離相關，距離的變化表示掌子面的推進過程，不同的取值可反映噴錨支護的支護時機。

4 計算成果分析

4.1 圍巖應力場、位移場及塑性區

施工期間圍巖的主應力矢量場、總位移矢量場和塑性區見圖3，各方案施工完成后圍巖的變形和應力值見表3，各關鍵點位置見圖4。開挖和支護方案不同時，圍巖應力和變形差別不大，都是在頂拱中部出現最大拉應力，其值為0.4～0.6 MPa，在導流洞拱肩部位出現最大壓應力，其值為5.8～6.8 MPa。邊墻水平變形不超過12 mm，拱頂的沉降變形不超過17.5 mm。相比之下，方案4施工期塑性區差別不大，開挖完成后在隧洞邊墻4 m范圍內，頂拱5 m范圍內出現塑性區，均在錨桿長度范圍內。

圖3 方案I施工完成后圍巖主應力矢量、位移矢量和圍巖塑性區

圖4 洞壁圍巖關鍵點位置示意

4.2 錨桿軸力

通過5種方案開挖完成后的錨桿軸力分析表明，施工期預應力錨索均可安全工作。頂拱處錨桿受力小于邊墻部位，當頂拱全部采用250 kN、10 m長預應力錨桿時（方案3、5），邊墻部位錨桿軸力均小于設計值；但當頂拱采用系統錨桿和預應力錨索加固時（方案1、2、4），泄洪洞一側邊墻中部部分錨桿軸力超過200 kN，需將錨桿間距加密為1.5 m×1.5 m。當頂拱支護布置相同時，開挖方式對邊墻處錨桿拉拔力影響很小。預應力錨索有利于加固大跨度洞室的拱頂圍巖，減小拱頂圍巖的拉應力和拉應力區。

4.3 噴層內力

5種方案施工開挖完成后噴層軸力分析見圖5。從圖5可以看出，不論采用那種施工方案，噴層壓應力均小于混凝土強度設計值，在導流洞邊墻中部會出現拉應力，但拉應力值沒有超過混凝土強度設計值。采用上下開挖的施工方案（方案1、2、3）時，受頂拱中部撐起的鋼管柱影響，該部位噴層產生嚴重的應力集中，因此全斷面開挖完成后，頂拱中部出現了大約4 MPa的拉應力，已接近鋼纖維混凝土噴層的強度設計值，使用特殊混凝土如聚丙烯混凝土可滿足要求。而采用左右開挖的施工方案時，頂拱拉應力則不超過3 MPa，鋼纖維混凝土噴層可滿足要求。由此可見，施工期噴層受力主要由開挖方式控制。

就施工期噴層受力而言，左右開挖要優于上下開挖，上下開挖時在層狀巖體中形成的大跨度洞室，對圍巖穩定不利，盡管再向下開挖時對圍巖和支護的受力影響不大。左右開挖時，導流洞一側的開挖使泄洪洞一側的支護受力增加，但仍比上下開挖時略小，同時左右開挖減小了軟弱夾層對洞室穩定的影響。預應力錨索則可有效地加固洞室頂部的軟弱夾層。

表3 各方案施工期洞壁圍巖關鍵點變形值及應力值對比

圖5 不同方案施工期噴層軸力比較

4.4 襯砌內力

采用上下開挖的施工方式（方案1、2、3）時，襯砌要承受一部分因移去鋼管柱支撐后的圍巖變形壓力，因此，施工期拱頂中部襯砌的內側會出現約2 MPa的拉應力，最大壓應力為4 MPa，出現在底板和邊墻的拐角處，1.5 m厚的混凝土襯砌配筋后可滿足要求。采用左右開挖的施工方式，施工期襯砌基本上不承受圍巖變形壓力，因此襯砌內力很小，最大拉應力不超過0.3 MPa，最大壓應力不超過1 MPa。開挖方式的不同導致了襯砌受力差別很大。從襯砌受力的角度來講，左右開挖的方案優于上下開挖方案。

4.5 施工方案的選用

經過理論計算分析和模型數據分析，對5種開挖、支護方案進行綜合比較，并綜合考慮交叉段洞室結構特點以及地質條件，決定采用方案2實施開挖、支護。而在交叉段實際開挖過程中，發現出露的巖石裂隙發育，巖石破碎，巖坎未能完全保留，經各方現場研究、討論，確定選用方案4，并在原開挖施工方案的基礎上進行了優化，采用增加預應力錨桿等措施強化了支護。

5 結語

積石峽水電站交叉段洞室是目前國內在白堊系水平巖層中最大的洞室之一，其穩定數值仿真分析及其計算成果論證了特大斷面洞室開挖施工技術的可行性，確定的開挖、支護方案應用效果良好，簡化了工序，避免了大的塌方，確保了施工安全，加快了施工進度，且通過對已埋設的觀測儀器的監測分析，得到了在積石峽水電站特殊地質條件下開挖中的圍巖變形數據，可供工程參考。