积石峡水电站导流洞交叉段水平层状岩体稳定数值仿真分析

苏晓军，李 龙，益 波

（1.黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000；2.中国水利水电第四工程局有限公司第一分局，青海 西宁 810006；3.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065；）

1 工程概况

积石峡水电站中孔泄洪洞采用 “龙抬头”形式与导流洞结合布置，开挖断面均为13 m×15 m，结合部位交叉角 19.9°，形成跨度 28.4 m、 高度 20.59 m的城门洞形大断面洞室。

交叉段岩性为砾岩、中细砂岩和泥质粉砂岩，岩层产状NE13°SE∠13°，岩性呈软硬相间互层状分布，拱顶上方有一厚3～10 cm的软弱夹层穿过，洞室埋深大于100 m；该段岩体弱风化，岩体中发育有三组中陡倾角裂隙，完整性差，基本属Ⅲ类围岩，局部为Ⅳ类围岩，围岩整体稳定性差，特别是洞顶部位易发生坍塌掉块。因中孔泄洪洞开挖在先，当导流洞掘进至导 0+217.15（中 0+235.39） 桩号时，两洞室交角小，上游侧岩墙厚度极薄（最薄处不足2 m），两洞室相交后存在大跨度洞室和两洞室间岩墙稳定问题。故交叉段洞室的开挖方案、支护方式及混凝土衬砌方案的选择对洞顶围岩的稳定、工程安全影响很大，为此，对不同开挖和支护方案下施工期围岩的稳定进行了数值仿真分析。

2 初步拟定的施工方案和加固措施

考虑到交叉段断面不仅洞径大，而且洞顶有软弱夹层穿过、围岩成层状分布等具体情况，拟定了5种开挖和支护方案进行比较分析（见图1）。由于该洞段围岩基本属于III类围岩，所以各方案支护都是紧跟掌子面进行，支护参数见表1。其中，方案1、2、3在上部7 m扩挖后预留岩坎，在图1a、b、c中阴影部分设置钢管柱（直径为1 m）支撑顶拱，再按设计要求进行支护和预应力锚索施工及混凝土浇筑衬砌施工。

图1 各方案开挖施工顺序及支护示意

3 施工期围岩稳定性数值仿真分析

应用从奥地利引进的大型岩土工程数值仿真分析系统FINAL，模拟该交叉段的施工过程和支护措施，分析比较不同开挖和支护方案下施工期围岩和支护的稳定性。

数值仿真计算时，岩体采用三角形6节点等参元模拟，视为弹塑性介质，采用Mohr－Coulomb准则判断是否进入塑性屈服状态。混凝土喷层、衬砌采用曲梁单元模拟，采用弹性本构模型。软弱夹层不连续面采用节理界面单元模拟，该单元可考虑软弱夹层的张开、闭合和滑移，按弹塑性本构关系考虑。预应力锚索和锚杆采用锚杆单元模拟，按弹性考虑，该杆单元可考虑杆体与岩体间的粘结力，模拟预应力锚索或预应力锚杆时，将自由部分的杆体与岩体间的粘结力取为很小的值，激活杆单元的同时在张拉端施加张拉力，同时对岩体施加反向压力。交叉洞段断面的有限单元网格见图2，岩体力学参数见表2。

图2 地质剖面及单元网格

现场地应力测试表明，该区域无构造应力，初始地应力以自重应力为主。隧洞开挖后应力释放，初始地应力场将重新分布，与支护时机以及围岩变形模量的释放有关。在掌子面接近分析断面时，分析断面内部初始地应力开始释放转移，断面内开挖单元的变形模量由原值E降到aE，根据变形模量的释放，隧洞开挖轮廓周边上的等效节点荷载为

表1 支护参数

表2 围岩物理力学参数

式中，{ΔFA}为地应力释放荷载向量；[B]为应变矩阵；{σ0}为初始应力向量；α（0≤α≤1.0）为空间桥跨效应系数，可根据三维解析或实测得到；A为微元的面积；SA为积分区域。

分析断面距掌子面一定距离时，瞬时施做喷锚支护，瞬时激活预先布置的无刚度、无应力的曲梁单元和杆单元，在整体刚度矩阵中增加曲梁单元和杆单元的刚度贡献，即考虑支护时机。系数α与分析断面和掌子面的距离相关，距离的变化表示掌子面的推进过程，不同的取值可反映喷锚支护的支护时机。

4 计算成果分析

4.1 围岩应力场、位移场及塑性区

施工期间围岩的主应力矢量场、总位移矢量场和塑性区见图3，各方案施工完成后围岩的变形和应力值见表3，各关键点位置见图4。开挖和支护方案不同时，围岩应力和变形差别不大，都是在顶拱中部出现最大拉应力，其值为0.4～0.6 MPa，在导流洞拱肩部位出现最大压应力，其值为5.8～6.8 MPa。边墙水平变形不超过12 mm，拱顶的沉降变形不超过17.5 mm。相比之下，方案4施工期塑性区差别不大，开挖完成后在隧洞边墙4 m范围内，顶拱5 m范围内出现塑性区，均在锚杆长度范围内。

图3 方案I施工完成后围岩主应力矢量、位移矢量和围岩塑性区

图4 洞壁围岩关键点位置示意

4.2 锚杆轴力

通过5种方案开挖完成后的锚杆轴力分析表明，施工期预应力锚索均可安全工作。顶拱处锚杆受力小于边墙部位，当顶拱全部采用250 kN、10 m长预应力锚杆时（方案3、5），边墙部位锚杆轴力均小于设计值；但当顶拱采用系统锚杆和预应力锚索加固时（方案1、2、4），泄洪洞一侧边墙中部部分锚杆轴力超过200 kN，需将锚杆间距加密为1.5 m×1.5 m。当顶拱支护布置相同时，开挖方式对边墙处锚杆拉拔力影响很小。预应力锚索有利于加固大跨度洞室的拱顶围岩，减小拱顶围岩的拉应力和拉应力区。

4.3 喷层内力

5种方案施工开挖完成后喷层轴力分析见图5。从图5可以看出，不论采用那种施工方案，喷层压应力均小于混凝土强度设计值，在导流洞边墙中部会出现拉应力，但拉应力值没有超过混凝土强度设计值。采用上下开挖的施工方案（方案1、2、3）时，受顶拱中部撑起的钢管柱影响，该部位喷层产生严重的应力集中，因此全断面开挖完成后，顶拱中部出现了大约4 MPa的拉应力，已接近钢纤维混凝土喷层的强度设计值，使用特殊混凝土如聚丙烯混凝土可满足要求。而采用左右开挖的施工方案时，顶拱拉应力则不超过3 MPa，钢纤维混凝土喷层可满足要求。由此可见，施工期喷层受力主要由开挖方式控制。

就施工期喷层受力而言，左右开挖要优于上下开挖，上下开挖时在层状岩体中形成的大跨度洞室，对围岩稳定不利，尽管再向下开挖时对围岩和支护的受力影响不大。左右开挖时，导流洞一侧的开挖使泄洪洞一侧的支护受力增加，但仍比上下开挖时略小，同时左右开挖减小了软弱夹层对洞室稳定的影响。预应力锚索则可有效地加固洞室顶部的软弱夹层。

表3 各方案施工期洞壁围岩关键点变形值及应力值对比

图5 不同方案施工期喷层轴力比较

4.4 衬砌内力

采用上下开挖的施工方式（方案1、2、3）时，衬砌要承受一部分因移去钢管柱支撑后的围岩变形压力，因此，施工期拱顶中部衬砌的内侧会出现约2 MPa的拉应力，最大压应力为4 MPa，出现在底板和边墙的拐角处，1.5 m厚的混凝土衬砌配筋后可满足要求。采用左右开挖的施工方式，施工期衬砌基本上不承受围岩变形压力，因此衬砌内力很小，最大拉应力不超过0.3 MPa，最大压应力不超过1 MPa。开挖方式的不同导致了衬砌受力差别很大。从衬砌受力的角度来讲，左右开挖的方案优于上下开挖方案。

4.5 施工方案的选用

经过理论计算分析和模型数据分析，对5种开挖、支护方案进行综合比较，并综合考虑交叉段洞室结构特点以及地质条件，决定采用方案2实施开挖、支护。而在交叉段实际开挖过程中，发现出露的岩石裂隙发育，岩石破碎，岩坎未能完全保留，经各方现场研究、讨论，确定选用方案4，并在原开挖施工方案的基础上进行了优化，采用增加预应力锚杆等措施强化了支护。

5 结语

积石峡水电站交叉段洞室是目前国内在白垩系水平岩层中最大的洞室之一，其稳定数值仿真分析及其计算成果论证了特大断面洞室开挖施工技术的可行性，确定的开挖、支护方案应用效果良好，简化了工序，避免了大的塌方，确保了施工安全，加快了施工进度，且通过对已埋设的观测仪器的监测分析，得到了在积石峡水电站特殊地质条件下开挖中的围岩变形数据，可供工程参考。