高地应力区隧洞围岩稳定性分析

河海大学
硕士学位论文
高地应力区隧洞围岩稳定性分析
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：水工结构工程
指导教师：***
20060301
第三章锦屏隧洞工程区初始荷载分析
水压力达１０．２２ＭＰａ；长探洞埋深１８４３ｍ处实测最大主应力值达４２．１ｌＭＰａ。

由于探洞未深入至最大埋深处，预计最大埋深处的外水压力和最大主应力值将更大、涌水问题更突出。

如此高外水压力和高地应力作用下的深埋隧洞的建设国内外水电建设中尚无先例，这给引水隧洞的设计和施工提出了巨大挑战。

为此我们对锦屏二级水电站引水发电隧洞进行数值模拟，力求为施工和运行提供安全可靠的依据。

下图为锦屏工程区三维立体图。

图３－１锦屏工程区三维立体图
§３．２隧洞工程区初始地应力场分析
３．２．１初始应力场反演分析方法
锦屏隧洞工程区在前期勘测及辅助洞施工过程中，同－Ｎ点处采用三种不同的测量方法，测得的地应力值均不一致，这就要求必须对其进行分析来确定最终的取舍。

由于该测点埋深４６３ｍ，根据盯：＝ｍ计算得到由自重产生的铅直方向的应力约为１２ＭＰａ，因为垂直向应力主要由自重产生，故可以初步判断水压致裂法测出的结果比较接近实际；再次，可以结合区域应力场的分布规律来分析，我们知道在岸坡附近最大主应力的方向近似平行于岸坡方向，因此可以断定水压致裂法测量的结果比较准确。

根据地质力学分析，初始地应力场主要是由自重应力场和构造应力场迭加而成的。

将自重、构造应力分量分别作为不同工况进行三维弹性有限元计算，在各工况计算中，均模拟实际工程的地形条件、地质条件。

以实测应力点处各工况的有限元计算应力值作为自变量，测点应力回归值为因变量进行回归计算１３８】。

多元线性回归方程为：
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为建模边界条件。

垂直方向取３３５ｍ。

模型上边界高程为１７８５ｍ，下边界高程为Ｉ４５０ｍ。

由于引水隧洞共有四条，且有两条辅助洞，因此建模应该考虑隧洞群均不受边界条件的影响ｆ５０Ｊ，在水平方向取６６０ｍ。

由１８（距离辅助洞最远的～条引水隧洞为１８洞）引水隧洞向左取２３０ｍ为左边界，向右４３０ｍ为右边界。

该模型范围内岩石性质单一，均为中厚层大理岩（Ｔ２ｂ）。

计算模型共剖分网格单元１３５６０、节点１５４１１。

引水隧洞断面为马蹄形，开挖洞径最大１３ｍ，衬砌后洞径最大为１２ｍ。

计算中首先“杀死”模型中的隧洞部分以及衬砌部分的单元，来模拟开挖过程。

在ＦＬＡＣ．３Ｄ程序中，激活“单元死”选项并不是将“杀死”的Ｉ｜鱼元从模型中直接删除，而是将其应力设置为０，从而使得荷载向量不产生实效。

同样其它相关的因素也设置为０，被杀死单元的质量也不包括在求解的结果当中［５”。

当开挖完成后，实际进入衬砌阶段时，再将杀死衬砌部分的单元激活。

用来模拟隧洞开挖、锚固、衬砌的仿真过程。

对于锚杆采用特有的结构单元（ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｌｅｍｅｎｔ）——锚杆单元（Ｃａｂｌｅ）来实现。

三维子结构模型见图４－２。

图４—２锦屏二级水电站引水隧洞ＩＩ类围岩材料区数值分析单元网格图
岩石力学材料参数以及支护结构的设计参数取用中国水电顾问集团华东勘测设计研究院提供的设计计算参数，见表４－１。

第四章锦屏工程区高地应力围岩开挖数值分析
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方案３引水隧洞Ｙ方向位移分布图（单位ｍ）方案４引水隧洞Ｙ方向位移分布图（单位ｍ）
图４－３不考虑残余强度时引水隧洞位移分布图
考虑残余强度影响下有五种计算方案，即分别在顶拱位移为５ｃｍ，７ｃｍ，９ｅｒａ，１０ｃｒｎ，１０．５ｃｍ时，实施支护措施，得到引水隧洞开挖后，洞周围岩位移以及弹性区围岩位移的计算结果，详见表４－３。

心内容顶拱位移顶拱位移顶拱位移顶拱位移顶拱位移
表４－３ＩＩ类围岩位移成果汇总表（考虑残余强度）
施加锚杆时间
２，ｃｒｎ７ｃｍ９ｃｍ１０ｅｍ１０．５ｅｒａ洞周顶部Ｕｚ．１０．０４．１０．６２—１ｌ＿３６．１１．７５．１１．８ｌ
围岩
引位移侧墙Ｕｙ．５．８３．６，６２－７．６５．７．９０．８．Ｏｌ
水
（ｃｍ）
底部Ｕ。

十７．７０＋８，５ｌ＋８．６９十９．０１＋９．０４隧
洞弹性
顶部Ｕｚ．６．９７—７．Ｏ．７，７４－８．１０一８．１５区围
岩位侧墙Ｕｙ－ｏ．７７．Ｏ．８４．０，８７－ｏ．９２．０．９４
移
（ｃｎｌ）底部Ｕ：＋４．０２＋４．０５＋４．１３＋４．３５十４．３９
通过上面的计算结果我们可以看出，考虑到残余强度影响后，当顶拱位移为１０．５ｃｍ（方案９）时实施支护，最终位移为一１１，８１ｃｍ；当顶拱位移为５ｃｍ（方案５）时实施支护，最终位移为。

１０．０４ｃｍ。

方案５～方案９，随着支护时间的不断推迟，最终位移也呈现逐渐增加的趋势。

这与方案ｌ～方案４的规律相同。

无论是洞周围岩还是弹性区围岩，其拱顶、
底板以及侧墙处的分布也存在一定的规律，具体变形分布规律见位移分布云图（图４＿４）。

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第四章锦屏工程区高地应力围岩开挖数值分析
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图４－４考虑残余强度时引水隧洞位移分布图
方案２和方案５为同在顶拱位移为一５ｃｍ时施加系统锚杆，方案５的位移一１０．０４ｃｒｎ比方案２的位移．６．８０ｃｍ大。

方案４和方案６为同在顶拱位移为一７ｃｍ时施加锚杆，方案６的位移为．１０．６２ｃｍ比方案４的位移．７．３２ｃｍ大。

说明考虑残余强度后位移变形会明显增大。

计算结果显示，竖向变形最大位置为洞室顶拱处位移最大，其次是底板，侧墙相对较小。

水平方向的变形则为侧墙处水平位移最大，其次是底板，顶拱较小。

说明开挖后的引水隧洞变形有向内收缩的趋势，其变形趋势可参见位移矢量图，见图４．５。

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图４—６不考虑残余强度时洞周围岩应力分布云图
从上面的云图我们可以看出，四种工况下计算的应力分部规律基本相同，即在洞室侧壁上出现应力集中区域，且在围岩内部，洞周出现应力释放区域，越接近临空面应力越小，与侧墙相比洞顶与洞底应力降低的更明显。

从下面的成果汇总表中我们也可以发现，随着支护时间的不断推后，其应力分部也存在规律性的变化。

洞周围岩最大主应力随着支护时间的推迟，其应力值不断减小，而洞室侧墙深部弹性区最大主应力逐渐增大，洞周侧墙部的主应力逐渐减小。

这说明在开挖后，围岩应力重新分布，应力分布一方面向临空面转移能量得到释放，造成洞周围岩应力降低，另一方面向围岩深部转移，形成围岩深处弹性区内应力集中现象。

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远大于方案４的一１０８．９７ＭＰａ。

与不考虑残余强度时的应力分部规律基本相同，弹性区最大主应力仍出现在侧墙围岩深部，但应力集中区明显向围岩更深处转移，集中在４－６ｍ（塑性区和弹性区交界处）的部位，其应力值明显增大，最大可达一１２４．３１ＭＰａ。

考虑残余强度后的五种方案中，弹性区的最大压应力逐渐增加，方案ｌ中最大压应力为．１１２．９ＭＰａ，而方案５中最大压应力一１２４．３１ＭＰａ。

其余几种方案的最大压应力介于这两者之间。

洞周围岩应力降低较材料未弱化时明显。

具体分部情况可见应力云图，如图４—７，数据见表４—５。