复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价

Aug.年201920198月

DOI：10.3969/j.issn.1004-4701.2019.04-06

复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价王

盼

（江西环境工程职业学院，江西赣州341000）

摘要：以某拟建抽水蓄能电站地下厂房硐室群为例，考虑含有断层及岩脉的复杂地质条件，采用三维数值方法计算硐

进而评价喷锚支护的实施效果.研究结果表明：硐室室群开挖过程及喷锚支护过程围岩受力特性，厂房硐室开挖完成后，位移量减小；断层及岩脉夹层与硐室拱座部位、硐室与断层及岩脉夹层交叉部位的围岩变形发生突变，在支护措施完成后，边墙与底板的交汇处等局部位置出现明显的应力集中，支护措施的实施改变了局部围岩应力场的分布，使得局部围岩压应硐室围岩塑性区分布范围随支护强力增大，拉应力减小；毛洞和支护完成后的硐室围岩塑性区分布规律及部位基本相同，从围岩变形量、特征应力及塑性区分布等综合判断，该地度的增加而减少，支护措施的实施有效地降低了硐室围岩塑性区；能够使围岩稳定性提高.下厂房硐室支护效果明显，

喷锚支护；数值分析关键词：水工结构；地下硐室；围岩稳定；

中图分类号：TV36文献标识码：A文章编号：（2019）1004-470104-0260-09

0引言

随着我国新兴能源的大规模开发利用，抽水蓄能电站得到迅速发展[1-3]。地下厂房作为抽水蓄能电站建筑结构的重要组成部分，其安全稳定性成为抽水蓄能电站建设的重中之重。地下厂房一般布置在高深山体特别是在地下厂内[4]，围岩地质条件及岩层结构复杂，房开挖施工与支护过程中经常受到构造应力及断层破

6]

碎带的干扰，导致施工停滞[5，。因此，采用合理的支护

值模型研究了喷锚支护的加固作用，认为喷锚支护有效抑制了围岩塑性区的发展；于忠锋[14]采用数值方法通过研究围岩稳定性对喷锚支护进行优化。可见，硐室开挖完成后围岩受力状态与稳定特性和喷锚支护措施密切相关，以上研究成果大多集中于喷锚支护的施工方法及支护优化等方面，有关复杂地质条件下硐室群喷锚支护实施效果方面的研究较少。本文以某拟建抽水蓄能电站地下厂房硐室群为例，考虑含有多组复杂断层及岩脉的地质条件，采用FLAC3D建立含有断层及岩脉接触面单元的三维数值模型，计算硐室群开挖过程及喷锚支护过程围岩受力特性，对比研究开挖毛洞和喷锚支护完成后的围岩变形、应力响应及其塑性区为有复杂断层分布，进而评价该支护措施的实施效果，及岩脉地质条件的地下厂房喷锚支护施工提供参考。

方式对于地下厂房硐室群的围岩稳定性尤为重要。

喷锚支护作为硐室开挖中常用的支护形式，其具有粘结性强、深入性强及灵活性好等特点，因此在边坡工程及地下工程中得到广泛应用[7-10]。对于喷锚支护的已有诸多学者应用、施工方法及支护优化方面的研究，开展。叶均华等[11]采用数值模拟方法对大跨度隧道的喷锚支护过程进行研究，认为喷锚支护对围岩的应力影温李彬[12]着重分析了喷锚支护施工技术在隧道响较大；

凌影[13]采用FLAC3D建立数工程中的技术难点与重点；

收稿日期：2019-05-20

王盼助教.作者简介：（1991-），男，硕士，

1工程概况

1.1

地下厂房硐室布置

下所研究抽水蓄能电站工程枢纽主要由上水库、

第45卷第4期王盼复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价261

水库、输水系统与发电厂房系统4个部分组成。地下厂房硐室群围岩岩性主要为中粒黑云母花岗岩，厂房顶拱上覆岩体厚330m左右。地下厂房洞室群主要包括主厂房、副厂房、主变洞、母线洞等建筑物，是一组以主、副厂房洞室为中心的地下硐室群，硐室布置见图1。从上游引水水流方向看，依次平行布置主厂房、主变洞和尾闸室3大硐室，主厂房与主变洞之间的岩体厚度为

40.00m厂房与，

主主变变洞洞对与应尾各闸室机组之间由母的线岩洞体连厚接度，为另25.00m有交通；主联系洞连接主厂房和主变洞；安装间布置在主厂房右侧；

进厂交通洞从安装场下游侧进厂。

主厂房洞室包括主机间、副厂房及安装间，主厂房洞室开挖尺寸172.00m伊26.70m伊58.40m（长伊宽伊高）。安装场布置在主机间右端，长度为41.00m，与主机间宽

度相同。地下厂房内布置4条母线洞，其位置分别与每台机组相对应，母线洞长度为40.00m。母线洞仅为一层，与主机间母线层地面高程相同。母线洞洞内净空尺寸9.00m伊10.00m（宽伊高）。主变洞洞室开挖尺寸

146.00m距24.00m伊20.00m，内径伊5.10m20.50m

。（4长条伊尾宽水支伊高）洞，尾经水支尾水洞岔轴线洞汇间入

一条尾水主洞，尾水主洞为圆形有压洞，内径为11.50m。

图1

地下厂房硐室布置

1.2基本地质条件

该地下厂房工程厂区岩体完整性较好，硐室围岩

新鲜。围岩以域类为主，约占70%；节理较发育部位为芋类，

约占25%；局部断层破碎带或蚀变岩脉属郁~吁类围岩，约占5%。岩石单轴饱和抗压强度大于70MPa，

属于坚硬岩类。勘探支洞共揭露厂房围岩周围存在断层4条、岩脉24条，断层及岩脉相互交错分布较为复杂，其中主厂房东北方向分布断层夹层啄f93、啄f94及啄f84，

整体厂区有岩脉啄45贯穿，同时分布有部分贯穿的岩脉啄46及断层啄f81，见图2。在本文计算中，为充分反应岩脉层及断层对地下硐室开挖围岩变形与应力的影响，将着重考虑厂房区域围岩厚度较大的主要岩脉层及断层。

图2厂房围岩周围岩脉及断层分布

2数值模型

2.1

计算模型

采用经典有限差分岩土软件FLAC3D[15]建立厂房硐室群三维计算模型，整体模型从上至下主要考虑全风化岩层、弱风化岩层、厂房围岩及断层和岩脉层等分布岩体。其计算范围：平面范围上游主厂房以上150.00m厂房开挖，

下线游以外至尾150.00m水闸门；室垂以直下方150.00m向在主厂房，两端为底板地下最低

高程以下150.00m。整体数值模型X方向长度为

421.00m140.00m，Y方向长度将啄f93和，

地啄f94面最合大并高为程为厚834.00m472.00m度2.00m，，见图模型的岩脉3。下层建，在立边模型界高三维时程

模，型中按实体单元加接触面单元予以模拟，与地下厂房洞室群相切割的啄f84按实体单元模拟，啄f84两侧和

啄f81、啄45、啄46处设置接触面单元进行模拟，

见图3（c）。262江西水利科技2019年8月

为了更好地研究地下厂房围岩的各种力学特性，对开挖洞室附近的岩体部分区域网格进行了细化处理，而对远离硐室轮廓的区域采用较大尺寸的网格。开挖前整个三维计算模型单元数为163190个，节点数为48919个。

（a）整体三维模型网格

（b）地下厂房硐室群三维网格

（c）岩脉及断层接触面网格

图3

数值计算网格

2.2硐室群开挖与支护方案

根据开挖步序的施工便捷性及经济性，以相同高

程差围岩为一区段的原则将主厂房分为7个开挖区，分别为I~VII；主变洞分为3个开挖区，分别为I~III；尾闸室分为两个开挖区，分别为I~II；母线洞分为一个开挖区，为I；尾水支洞分为一个开挖区为I，见图4（a）。基于本工程前期对开挖步序的优化计算成果，最终确定了7个开挖步，见表1，其中主厂房在第1步至第7步开挖完成，主变室在第2步至第4步开挖完成，尾闸室在第3步至第4步开挖完成，母线洞在第4步完成，尾水支洞在第3步至第5步开挖完成。

为及时控制开挖后围岩的持续变形，需在开挖完成后对围岩进行支护加固。该工程采用喷射混凝土结合锚杆的支护方式对围岩进行加固。锚杆单元采用FLAC3D模量195GPa中的结构，抗拉单元强度cable1.26GPa进行，表模拟2给，出了锚杆主要单元弹硐室性

的支护参数。由于三维计算包含的大量数据和信息，在该计算方案下，

着重分析围岩14处特征测点及4个厂房断面围岩的力学响应，特征测点及典型厂房断面见图4。

（a）开挖区及特征测点

（b）分析剖面

图4

开挖步序及特征测点和分析剖面分布图

第45卷第4期王盼复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价263

表1计算开挖步序

开挖次序

主厂房主变室

尾闸室

母线洞

尾水支洞

12玉3域4芋5郁玉玉

玉

6吁域玉7遇芋

域

喻表2主要硐室支护参数表

支护参数

硐室名称及其部位

喷射混凝支护锚杆/mm

土厚度

直\\排径（距mm）\\间（m）顶拱

主厂房

15015028\\1.5\\1.5\\7（m）\\长度距

（m）边墙变洞

15025\\1.5\\1.5\\5顶拱

主边墙

15025\\1.5\\1.5\\6母线洞80尾水支洞8025\\1.5\\1.5\\4.525\\1.5\\1.5\\4

尾闸室

8022\\1.5\\1.5\\3.522\\2\\2\\4.5表3计算基本参数

抗剪强度

岩体分层

饱和密度弹形模量泊松比

籽（/kg/m3）E/GPa自渍/毅c/MPa全强风化层2255014.004.00

0.2835弱风化层260061419.250.24460.45厂房围岩20.23521.05断层2300800

25.000.50

0.350.22

191.54岩脉530.11岩脉接触面

23

1.250.12

2.3计算边界及初始条件

计算边界条件：模型底部采用位移固定约束，

四周竖向边界采用法向位移约束，模型上表面采用自由边

界。硐室围岩实体单元及接触面单元采用基于摩尔库伦屈服准则的弹塑性本构模型。根据勘探地质资料，对各类围岩计算参数取值，见表3。岩脉接触面法向刚度20GPa始地应，

力切场向（刚位度移1.8GPa清零）；。第计算2步步骤，按照为：拟第定1计算方步，生成案初中

的开挖顺序进行逐级开挖；第3步，对开挖后的毛洞进行锚杆支护；第4步，喷射混凝土厚度层；第5步，利用fish语言编制的端口生成Tecplot后处理文件。

3计算结果与分析

地下硐室群在不同开挖步下及不同支护条件下其围岩的力学响应均不同。限于篇幅，

本文仅对具有代表性的1号机组轴线剖面及其特征位置测点处的围岩在开挖完成和支护完成条件下的变形力学特征展开研究，从围岩变形、应力特性及塑性区分布三个方面对比分析开挖完后毛洞与支护完成后的围岩稳定特性，进而对复杂地质条件下围岩支护方案的支护效果进行评价。3.1

硐室围岩变形分布对比

图5为喷锚支护完成后1号机轴线剖面的水平位移及竖向位移等值线分布，因开挖完成后毛洞的位移等值线分布与喷锚支护完成后等值线分布基本一致，限于篇幅不再给出，只给出了1号机轴线剖面各特征测点的毛洞与支护完成后的位移对比统计值，

见表6。从图5可知，地下硐室群开挖完成后，围岩水平位移及竖向位移值随着离硐壁距离越大而减小，硐室

围岩的水平位移极大值出现在边墙中部、铅直方向的沉降极大值出现在硐室围岩拱顶，卸荷回弹位移极大值出现在洞室底板中部，在断层及岩脉与硐室开挖侧壁相交位置，水平位移大小突变较小，而竖向位移大小突变较大，硐室围岩在开挖条件下，断层及岩脉夹层抗变形能力相对较低，导致岩脉两侧岩体形成上下错动变形，进而导致围岩竖向变形突变比水平位移的要大。表6数据表明，开挖完成后的毛洞围岩变形在支护完成后，位移量都有所减小，其中减小幅度最大为33.3%，为尾闸室拱顶测点的竖向位移。由于厂房硐室围岩抗变形能力较高，围岩变形模量较大，所以开挖卸荷下硐室围岩变形绝对量较小，锚杆及混凝土的控制效果在0.1~0.9mm以内。整体上，各测点在喷

264江西水利科技2019年8月

锚支护的作用下，位移量有明显减小，说明喷锚支护效果明显。3.2

硐室围岩应力对比

图6为地下硐室支护完成后的第一主应力及第三

负值代表主应力等值线分布图，图中正值代表拉应力，压应力。开挖完后的毛洞应力等值线图与图6基本类似，故不再给出。表7统计了1号机轴线剖面的各特征测点在开挖完成后毛洞及支护完成后的第一主应力值

（a）水平位移

图5

计算方案1位移等值线图

（b）竖向位移

表4特征测点的位移统计值

1号机轴线剖面水平位移毛洞

拱顶上游边墙下游边墙

主厂房上游边墙

下游边墙下游边墙底板拱顶

主变室

上游边墙下游边墙底板拱顶

尾闸室上游边墙

下游边墙

1234567810111213149

-10.6-14.4-15.7-2.0-3.6-10.6-4.7-2.1-6.92.11.9-3.14.13.3

锚杆+喷混凝土

-10.0-13.5-15.4-1.8-3.3-10.1-4.3-1.8-6.31.81.6-2.73.92.9

增减幅度/%

-5.7-12.1-1.9-4.9-8.3-4.7-8.5-8.7-6.3

毛洞-5.63.84.74.216.812.9-4.91.81.80.33.62.97.9

1号机轴线剖面竖向位移锚杆+喷混凝土

-5.13.44.44.016.312.3-4.51.51.6140.23.42.67.6

-8.9-6.4-4.8-3.8-3.0-4.7-16.7-11.1-2.1-5.6-33.3-10.3-8.2

mm测点特征位置测点编号

增减幅度/%

-10.5

-10.0-12.9-15.8-14.3-14.314.3第45卷第4期王盼复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价265

负值代表和第三主应力值对比，表中正值代表拉应力，压应力。

三大洞由图6可知可知，地下硐室群开挖完成后，室的拱顶、底板和边墙中间部位出现明显的应力松弛，

因断层及岩脉拉应力区主要分布在主厂房边墙。此外，

夹层抗变形能力相对较低，导致断层及岩脉夹层与洞室拱座部位、洞室边墙与底板的交汇处等局部位置出现明显的应力集中。因此，针对此类部位应进行重点加

（a）第一主应力

图6

计算方案1应力等值线

（b）第三主应力

表5特征测点的主应力对比表

第一主应力

测点特征位置

测点编号

毛洞

拱顶上游边墙下游边墙

主厂房上游边墙

下游边墙下游边墙底板拱顶

主变室

上游边墙下游边墙底板拱顶

尾闸室上游边墙

下游边墙

1234567810111213149

-47.94-13.04-23.37-41.00-15.43-12.70-15.20-14.22-6.89-22.62-11.742.11-5.03-8.46

锚杆+喷混凝土-48.34-13.95-23.68-41.88-15.98-13.41-15.67-14.91-7.11-23.04-11.972.04-5.03-8.73

增减幅度/%

0.83.27.00.01.32.13.65.63.14.93.21.9-3.32.0

毛洞-5.08-0.18-0.54-0.13-1.70-4.65-0.79-1.19-2.31-1.270.08-6.79-3.212.85锚杆+喷混凝土

-5.07-0.20-0.64-0.15-1.77-4.84-0.80-1.22-2.47-1.340.07-7.02-3.792.67第三主应力

MPa增减幅度/%

-0.2

11.118.515.44.14.11.32.56.95.53.4

-12.518.1

-6.3266江西水利科技2019年8月

固，如进行固结灌浆。

由表7可知，毛洞开挖和有支护开挖条件下的硐室围岩应力分布规律基本一致，但特征部位数值有区别。三大硐室在毛洞和支护完成后，其围岩应力值相差不大。总体上，毛洞开挖条件下的第一主压应力小于支护条件下的第一主压应力；而毛洞开挖条件下的第三主拉应力则大于有支护条件洞室开挖引起的第三主拉应力值。其主要原因在于，锚杆的加固，改变了局部围岩应力场的分布，使得局部围岩压应力增大，在特征拉应力减小。整体上，硐室围岩以压应力为主，为-47.94MPa，点的应力中，最大值出现在主厂房拱顶处，为-48.34MPa，支护完成后，拱顶第一主压应力有所降低，降低幅度为-0.8%。尽管毛洞和支护条件下硐室开挖

引起的典型剖面特征点第一主压应力达到47.94MPa，但仍小于三类围岩的抗压强度，故硐室围岩的整体抗压安全性好。从各测点在开挖完后毛洞和支护完后的第一主应力与第三主应力值变化可知，支护效果较为明显。3.3

硐室围岩塑性区对比

分析地下厂房开挖后毛洞及支护后围岩的塑性区图7与图8分别为1分布可以认识潜在围岩破坏区域。

号机轴线剖面和发电机平切面在开挖完成后毛洞和支毛洞和护完成后的围岩塑性区分布对比。从图中可知，支护完成后的硐室围岩塑性区分布规律及部位基本相同，但分布范围有所相差。塑性区分布主要分为两种情大部分单元均况：第一，由于岩脉岩体的抗剪强度低，

（a）开挖后毛洞

图71号机轴线剖面塑性区分布图

（b）支护完成

（a）开挖后毛洞

图8

发电机平切面塑性区分布图

（b）支护完成

第45卷第4期王盼复杂地质条件下地下硐室群开挖支护的效果评价267

出现剪切塑性区；

第二，由于硐室开挖卸荷效应及岩脉切割剪切变形，硐周围岩体局部出现剪切与张拉塑性区。

由图7可知，开挖完成后，主厂房拱顶与断层相交部位出现较大范围的剪切塑性区，而支护完成后塑性区大量减少；而从图8来看，厂房开挖后围岩塑性区主要分布在主厂房西南方向的断层周围，硐室内壁零星分散分布小范围塑性区，支护完成后，断层周围塑性区只有小部分减少，主要原因为支护锚杆的影响范围有效，出现塑性区部位离硐室距离较大，建议加大锚杆长度进行支护。

整体上，硐室围岩塑性区分布范围随支护强度的增加而减少，支护措施的实施有效地降低了硐室围岩产生塑性破坏区。从塑性区体积变化来看，

毛洞方案下塑性区体积为5.52伊105

m3

，支护完成后塑性区体积为4.81伊105塑性区减少幅度为12.9%。可见，支护效果较为明显m3，

。

4结论

考虑复杂断层及岩脉，采用三维数值模拟方法对毛洞及支护完成后的厂房围岩变形、应力及塑性区分布规律进行对比研究，

得到以下结论：（1）地下硐室群开挖完成后，

围岩水平位移及竖向位移值随着离硐壁距离越大而减小，硐室围岩的水平位移极大值出现在边墙中部、铅直方向的沉降极大值出现在硐室围岩拱顶，卸荷回弹位移极大值出现在洞室底板中部。断层及岩脉夹层抗变形能力相对较低，导致围岩竖向变形突变较大，支护完成后，位移量都有所减小。

（2）地下硐室群开挖完成后，因断层及岩脉夹层

抗变形能力相对较低，导致断层及岩脉夹层与硐室拱座部位、硐室边墙与底板的交汇处等局部位置出现明显的应力集中。预应力锚杆的加固，改变了局部围岩应力场的分布，使得局部围岩压应力增大，拉应力减小。

（3）毛洞和支护完成后的硐室围岩塑性区分布规律及部位基本相同，硐室围岩塑性区分布范围随支护

强度的增加而减少，支护措施的实施有效地降低了硐室围岩产生塑性破坏区。

（4）从围岩变形量、特征应力及塑性区分布等综合

判断，该地下厂房硐室支护效果明显，能够使围岩稳定性提高。参考文献：

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268江西水利科技2019年8月

Evaluationofexcavationsupportofundergroundchambersunder

complexgeologicalconditions

WANGPan

（JiangxiEnvironmentalEngineeringVocationalCollege，Ganzhou341000，China）

Abstract：Takingthechambergroupoftheundergroundpowerhouseofaproposedpumpedstoragepowerstationasanexample，consideringthecomplexgeologicalconditionsincludingfaultsandveins，thethree-dimensionalnumerical

thespray-anchorsupportprocess.Furthermore，theeffectoftheimplementationofthesprayanchorsupportwasevaluated.Theresultsshowthataftertheexcavationofthechamber，theintersectionofthediverticulumandthefaultfaultandtheveininterlayerandtheabutmentofthecavern，theintersectionofthewallandthefloorofthecavern.Thesupportmeasureschangethedistributionofthestressfieldofthelocalsurroundingrock，sothatthelocalsurroundingrockcompressivestressincreases，andthetensilestressisreduced.Thedistributionandlocationoftheplasticzoneofthesurroundingrockofthecavernarebasicallythesame.Thedistributionoftheplasticzoneofthesurroundingrockofthecaverndecreaseswiththeincreaseofthesupportstrength.Thesupportmeasureseffectivelyobvious，whichcanimprovethestabilityofsurroundingrock.

reducedafterthesupportmeasuresarecompleted.Significantstressconcentrationoccursatthelocallocationofthe

methodisusedtocalculatethesurroundingrockexcavationprocessandthesurroundingrockstresscharacteristicsof

andtheinterstitiallayerofthevein，thedeformationofthesurroundingrockisabrupt，andthedisplacementis

reducethesurroundingrockofthecavernplasticzone.Judgingfromthedeformationofsurroundingrock，characteristicstressanddistributionofplasticzone，theeffectofsupportingthediverticulumoftheundergroundpowerhouseisNumericalanalysis

Keywords：Hydraulicstructure；Undergroundchamber；Surroundingrockstability；Sprayanchorsupport；

翻译：王

盼