高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征

图1 Fig． 1
地下洞室群 3 维可视化图形
对围岩的稳定性影响较大。高地应力对厂房等洞室 围岩的破坏作用强烈， 破坏形式有劈裂剥落、 内鼓弯 折、 卸荷开裂等， 致使局部洞段成型较差， 岩体卸荷 ， 。 松弛 影响围岩稳定 由于地下洞室群地质构造复杂、 断层交汇、 岩体 完整性差， 强度较低， 因此围岩稳定问题成为洞室群 施工期关注的焦点。 在地质、 物探、 监测、 施工等资 料分析及现场调研的基础上， 根据地下洞室群的施 建立相应的 3 维地质力学模型， 分析在高地 工特点， 应力、 低强度、 断层发育的工程地质环境下洞室群围 岩施工期的稳定特性。
随着国家对于清洁能源需求的不断增大， 水电 工程的开发目前进入了一个新的高峰期， 中国的水
［1 ］ 电工程开发主要集中在西南地区 。 在西部高山 由于独特的地形 峡谷地区兴建大型水电枢纽工程，
开发为主， 同时受到工程场地条件的限制， 因此地下 厂房通常布置在山体内部， 这样就给地下厂房施工 期和运行期的安全稳定提出了更高的要求
4 条主要断层 f13 、 f14 、 f18 及 X 从图 2 可以看出， 煌斑岩脉穿越整个地下洞室群， 由于断层带岩体破 碎、 力学强度较差， 岩体开挖之后， 在断层破碎带附 近围岩处会产生较大的应力集中和错动变形 ， 对施 工期围岩的稳定影响较大。 1． 3 地应力条件 地下洞室群区域地应力分布不均， 围岩强度应 力比一般在 1． 5 ～ 3． 0 之间， 属于高—极高应力区， 最大主应力 σ1 在 20 ～ 35 ． 7 MPa 之间， 第二主应力 σ2 在 10 ～ 20 MPa 之 间， 最 小 主 应 力 σ3 在 4 ～ 12MPa 之间， 最大主应力方向与厂轴线近于平行，
DOI:10.15961/j.jsuese.2013.s1.036
Baidu Nhomakorabea
第 45 卷 增刊 1 2013 年 6 月
四川大学学报（ 工程科学版）
JOUＲNAL OF SICHUAN UNIVEＲSITY （ ENGINEEＲING SCIENCE EDITION）
Vol． 45 Supp． 1 June 2013
于大型地下洞室群来说， 由于其自身的规模巨大， 同 时受到高地应力、 断层及围岩力学特性的影响， 施工 期围岩的稳定安全问题备受重视
［4 － 5 ］
。
在高地应力作用下， 深埋岩体表现出与浅部岩 体不同的力学特性， 例如二滩电站， 在施工过程中洞 室周边的应力集中部位出现了不同程度的劈裂 、 剥 落现象， 在高地应力区域还发生岩爆； 瀑布沟水电站 地下洞室群由于地应力较高， 施工期间曾有 2 次大
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的变形突变并有局大裂缝或掉块现象， 并多次发生 ［6 ］ 岩爆 。因此， 如何建立恰当的力学模型来描述和 模拟高地应力条件下岩石材料的变形破坏规律 ， 以 保证深部岩体开挖后围岩的稳定性， 成为了研究的
［7 ］ 热点和难点 。 目前， 国内外常用的围岩稳定分析及判别方法
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1． 1
地下洞室群工程地质条件
工程概况
Fig． 2 图 2 主要断层与地下洞室群之间的关系 Ｒelation between the main faults and underground caverns
锦屏一级水电站位于雅砻江大河湾干流河段 上， 大坝为混凝土双曲拱坝， 最大坝高 305 m， 电站 装机容量 6 × 600 MW。 地下厂房区域地应力水平 高、 岩体力学特性较差、 节理裂隙发育， 同时受到几 条大断层的影响， 施工期围岩稳定问题突出。 地下 洞室群 3 维可视化图形如图 1 所示。
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有： 岩石和节理的室内试验、 物理模型试验、 现场量 ［8 － 9 ］ 。其 测和实验、 经验分类系统、 数值模拟技术等 中数值模拟技术是近年来发展迅速的一种稳定分析 方法， 能准确模拟许多现实复杂的力学模型和边界 条件， 并且有助于传统分析方法的进一步发展 ， 具有 ［10 ］ 。 良好的应用前景 作者针对锦屏一级地下厂房 结合实际的工程地质条件 施工期围岩稳定性问题， 建立了该地下洞室群的 3 维 及开挖支护施工程序， 地质力学模型。研究地下厂房在高地应力场、 节理 断层影响下围岩的施工期稳定特征， 为类似工程条 件的岩体稳定性评价和安全控制提供借鉴 。
Surrounding Ｒock Mass Stability Characteristics of Large Underground Caverns During the Construction Period Under High Insitu Stresses Condition
HU Wei1 ， DUAN Ｒujian2 ， YANG Xingguo1 ， HU Xiangwei2 ， ZHOU Jiawen1*
3D visualization of the underground caverns
地下厂房位于大坝下游约 350 m 的山体内， 水 平埋深约 170 m， 垂直埋深 180 ～ 350 m。主厂房、 主 变室、 调压室平行布置， 主厂房纵轴线 NW65° ， 尺寸 为 276． 99 m × 25． 60 m × 68． 80 m， 开挖规模巨大。 1． 2 围岩条件 地下洞室群区出露地层为三叠系中上统杂谷脑 2 组第二段 （ T2 － 3Z ） 大理岩， 及少量后期侵入的煌斑 岩 脉（ X） 。 厂区围岩类别以 Ⅲ1 类为主 ， 断层带一般
Abstract ： High insitu stress and low rock mass strength are the main characteristics of underground powerhouse of JinpingⅠhydropower station， surrounding rock stability problem is prominent during construction period． Combining with engineering geological mechanics method and threedimensional finite element method， the construction process of underground powerhouse was simulated， and the stress and deformation of surrounding rock， stability characteristics and main influence factors of surrounding rock stability were discussed． The calculation results indicated that the stress and deformation and stability characteristics are obviously effected by fault，cavity arrangement and excavation procedure． During the excavation procedure， the maximum stress part is constantly changing， stress and deformation s intersection and fault locaof surrounding rock are also continuously increasing，especially the deformation of the side wall． At grotto’ tion，deformation is large， plastic zone is basically connected，and strengthened supporting measures should be taken to ensure the stability of surrounding rock． Key words： underground caverns； high insitu stress； faults； surrounding rock mass stability； numerical simulation
摘
要： 地应力水平高、 岩体强度低是锦屏一级水电站地下厂房的主要特征， 地下厂房施工期的围岩稳定问题十分
对锦屏一级地下厂房施工过程进行了数值模拟， 研究了地下厂 突出。结合工程地质力学方法和 3 维有限元手段， 房施工期围岩的应力变形规律 、 稳定性特征及围岩稳定主要影响因素 。计算结果表明： 围岩的应力变形、 稳定状态 受到断层、 洞室布置及开挖支护程序的影响明显 。围岩的应力随着开挖的不断进行而增大， 最大应力出现的部位 也在不断变化。随着开挖的进行， 围岩的变形不断在增大， 尤其是边墙的变形。 在洞室交叉及断层出露部位， 围岩 的变形较大， 塑性区基本贯通， 应加强支护。 关键词： 地下洞室群； 高地应力； 断层； 围岩稳定； 数值模拟 中图分类号： TV731 文献标志码： A
（ 1． State Key Lab． of Hydraulics and Mountain Ｒiver Eng． ， Sichuan Univ． ， Chengdu 610065 ， China； 2． SinoHydro Bureau 14 Co． ， Ltd． ， Kunming 650041 ， China）
［3 ］
。对
地貌、 地质构造条件， 给工程建设及岩石力学研究 ［2 ］ 者 带来了诸多挑战 。 西南水电开发多以引水 式
收稿日期： 2012 － 12 － 20 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 41102194 ； 51209156 ） 作者简介： 胡 * 通信联系人 炜（ 1985 —） ， 女， 博士生． 研究方向： 岩石力学与 mail： jwzhou@ scu． edu． cn 工程． E-
局部破碎带为 V 类围岩， 岩石饱和单 为 IV 类围岩， 轴抗压强度一般在 60 ～ 75 MPa 之间。 f14 、 f18 厂区发育规模较大的断层有 NE 向的 f13 、 断层及 X 煌斑岩脉 （ 如图 2 所示 ） 。 f13 断层斜穿过 厂房安装间部位， 走向与厂房洞轴线夹角约 50° ， 总 体产状 N60° ～ 70°E / SE ∠60° ～ 80° 。f14 断层穿过厂 房主机间、 主变室以及 1 尾水调压室等洞室， 总体 产状 N60° ～ 70°E / SE ∠70° ～ 80° 。f18 断层沿左岸 Ⅱ 勘探线上游的煌斑岩脉与大理岩接触面发育 ， 大角 度斜穿河床延至右岸， 产状 N70°E / SE ∠70° ～ 80° 。

3087 （ 2013 ） 增刊 1002407 文章编号： 1009-
高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征
胡
1 2 1 2 1* 炜， 段汝健 ， 杨兴国 ， 胡香伟 ， 周家文
（ 1． 四川大学 水力学与山区河流开发与保护国家重点实验室， 四川 成都 610065 ； 2． 中国水利水电第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041 ）
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2． 1
3 维数值模型及参数
3 维有限元模型
模型中去。图 4 为地下洞室群主要支护措施的模拟 情况。
基于地下洞室群区域的工程地质条件， 建立了 数值仿真 3 维模型。 地层共分为 6 层， 岩体自上而 考虑了对地下洞室群围岩稳定影响重 下逐渐变好， f14 、 f18 及 X 煌斑岩脉。3 维数值 大的 4 条断层： f13 、 模型的边界为： 1 ） x 方向 （ 顺河向 ） ： 0 ～ 653． 15 m； 2 ） y 方向 （ 指向河谷方向 ） ： 0 ～ 613． 56 m； 3 ） z 方向 （ 竖直方向） ： 地表 － 1 485 m。如图 3 （ a） 所示。