锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计7p

摘要：锦屏二级水电站引水隧洞地处高山峡谷地区，埋深大、洞线长，高地应力、高外水压力问题突出。按照围岩是地下工程中主要的承载结构这一设计思想，应用弹塑性有限元法分析了锦屏二级水电站引水隧洞开挖及支护过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围，比较研究了不同渗控方案对隧洞围岩和衬砌的工作状态的影响，得出了一些对高地下水位条件深埋引水隧洞的支护设计有普遍意义的结论。

关键词：水利工程引水隧洞围岩稳定支护设计

中图分类号，TV732 文献标识码：A 文章编号1 1000-6915(2005)20-3777-06

1 引言

随着国民经济建设快速发展以及国家西部大开发战略的实施，在交通工程、跨流域调水工程、水电工程中，隧道方案被大量采用并逐渐朝深埋、超长、特大方向发展，这些隧道穿山越岭，穿越不同的地质单元，除具有一般浅埋隧洞的地质问题外，还将遭遇一系列的特殊的地质问题：如高地应力和岩爆、高外水压力和涌水、高地温、有害气体等。分析这些问题的发生原因、影响因素以及形成规律，并进一步作出科学的评价和预测，进而找寻合适的防治措施成为亟待解决的关键问题。锦屏二级水电站引水隧洞贯穿锦屏山，具有埋深大、洞线长；洞径大的特点，是锦屏二级水电站枢纽最重要的组成部分。根据前期的试验探洞资料分析，在引水隧洞施工过程中，可能遇到的工程地质问题有：涌突水、强～剧烈岩爆和其他地质灾害等，其中，高地应力和高地下水是影响引水隧洞围岩稳定性及衬砌结构安全性的主要因素，如何保证围岩稳定及支护结构在“双高”作用下的安全性是锦屏二级水电站引水隧洞能否成立所必须回答的问题，也是隧洞设计参数确定的基本前提。

2 深埋长Il洞结构设计面临的问题

锦屏二级水电站工程的关键技术是4条长达16.6km、开挖洞径13m、最大埋深2525m左右深埋长隧洞的设计和施工，在施工开挖过程中将不可避免遇到各种复杂的地质情况，其中主要有地下水问题和高地应力问题。

2.1 地下水问题

在长探洞的施工过程中，曾发生多次大的涌水，且各大涌水点具有高水头、大流量的特点，在有其他出水孔释放的情况下，测得最大涌水压力为3.5MPa，集中涌水量达4.91m3/s，稳定流量2 m3/s～3m3/s。根据预测，在不采取预注浆处理的情况下，引水隧洞稳定涌水流量将达到8.48m3/s左右，最大瞬时集中突涌水量为5m3/s～6m3/s左右。探洞施工后期，在其集中出水段处分3段进行全断面封堵，探洞封堵后最大实测水压力达到10.22MPa。因此，长探洞的施工和封堵直观的揭示了锦屏二级水电站长引水隧洞将面临岩溶地下水引起的高外水压力问题。隧洞开挖使致密岩石裂隙化，使已有裂隙张开、闭合、开裂、扩展和贯通，并且使地下水的排泄有了新的通道，破坏了原有的补排循环系统的平衡，在隧洞周围形成指向洞内的渗透场力，由此可能会影响隧洞围岩的稳定性和衬砌结构。因此，地下水引起的高外水压力是引水隧洞结构设计需要研究的问题之—。

2.2 高地应力问题

锦屏工程区长期以来地壳急剧抬升，雅砻江急剧下切，山高谷深。地貌上届地形急剧变化地带，因此，原储存于深处的大量能量，在地壳迅速抬升后，虽经剥蚀作用使部分能量释放，但残余部分很难释放殆尽，因而本区是地应力相对集中地区，有较充沛的弹性能储备。地应力的释放将导致围岩的破损，从而影响围岩的稳定性。根据长探洞实测地应力成果显示，在洞深3005m(埋深1843m)处地应力值为42.11MPa。从已有地应力资料可以得出锦屏工程区的地应力特征：在埋深大于剑200m时，地应力场由谷坡地带局部地应力转变为以垂直应力为主的自重应力场，但地应力随埋深的增加呈非直线型关系，地应力比值σ1/σ3随埋深的增加而逐渐减小。采用回归分析，在隧洞线高程1600m处的最大主应力值为54MPa，最小主应力值为32MPa。

3 围岩稳定性分析及结构计算

3.1 分析方法、计算剖面、计算参敷

屈服模型采用复合型的弹塑性计算模型，即在压区应用M-C或D-P屈服准则，而在拉压区应用3参数屈服准则，计算典型断面选取位于白山组大理岩T2b之最大埋深处，因为该断面具有最大地应力和最高地下水水位。两边出水边界分别为老庄子泉和磨房沟泉。不考虑东西雅砻江形成的渗流场影响，高程1000m以下为相对不透水层，典型断面示意图如图1所示。

图1 典型断面示意图

计算采用的材料力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

3.2 隧洞开挖与支护数值模拟

隧洞开挖模拟计算按真实的施工过程进行，即在对隧洞开挖进行弹塑性数值模拟过程中，遵循“先加载，后开洞”的原则。由于支护本身的透水性能直接影响着渗流场的分布，同时也影响着位移场及应力场。作者对支护透水性的模拟是采用不同的渗控方案，对不同的支护型式(钢筋混凝土衬砌、喷钢钎维混凝土支护)和渗透系数降低不同的数量级来进行模拟的，最后经过渗控方案比较，选择了辅助洞喷钢纤维混凝土10cm支护：引水洞先喷钢纤维混凝土10cm支护，再做钢筋混凝土衬砌

40cm，渗透系数均为1.29×10-6 cm/s，渗控方案的比选及所对应的渗流场见文[12]。

3.3 围岩稳定性分析

3.3.1 数值模拟计算方案

非线性有限元分析计算按施工顺序并考虑水荷载作用历史进行全过程仿真计算，方案考虑灌浆圈深度和灌浆圈渗透系数变化及不同工况下水荷载作用历史，计算方案如表2所示。

表2 数值模拟计算方案

这里工况①为：初始地应力(0级加载)/初始渗流场(第1级加载)+辅助洞开挖，瞬时渗流力(第2级加载)十辅助洞支护，渗流力(第3级加载)+4条引水洞开挖，瞬时渗流力(第4级加载)+4条引水洞支护，稳定状态渗流力(第5级加载)；工况②为：初始地应力(0级加载)/初始渗流场(第1级加载)+辅助洞开挖并支护，渗流力(第2级加载)+4条引水洞开挖并支护，渗流力(第3级加载)。

3.3.2 计算结果分析

以方案(5)为例来说明具体的数值模拟过程，为了对比支护时间的不同对隧洞围岩稳定性产生的影响。模拟分析过程中的位移为增量位移，应力为总应力。辅助洞开挖后最大水平位移为1.20cm，最大垂直位移为2.60cm；洞周边主应力分布十分直观地反映了地下洞室开挖地应力释放及渗流场改变而引起的围岩应力重分布规律，此时拱顶最大压应力为95.52MPa，拱脚及侧墙底部有应力集中现象，最大压应力为94.68MPa，辅助洞周边出现塑性区，范围在3.0m左右。

辅助洞喷锚支护后(第3级加载)其仅承受2，3级的变量水荷载，且与岩体共同承担，故在这种情况下岩体增量位移很小，支护的应力也较小。引水洞的开挖是在辅助洞形成后而进行的。开洞后支护前最大水平位移为2.02cm，最大垂直位移为4.79cml洞周边主应力如图2所示，塑性区范围也在3.0m左右(如图3所示)。

图2 方案(5)引水洞开挖后σ1分布图(单位：kPa)

图3 方案(5)引水洞开挖后塑性开展示意图

从计算结果可看出：

(1) 围岩及支护结构的应力及变形与衬砌支护结构及岩体的材料力学特性密切相关，开挖方式、支护时间以及水荷载作用历史对结果会产生较大影响。

(2) 由于支护是在围岩变形完成后上去的，其仅承受四、五级的变量水荷载，且与岩体共同承担，在稳定渗流期支护的应力较小。

(3) 引水隧洞洞周最大主压应力达100MPa～106MPa，辅助洞洞周最大主压应力达93MPa～

97MPa。在现有的力学参数及施工方式的条件下，不同方案围岩变形差异较大，多在2cm～5cm左右。洞腰出现一定范围的塑性区(3.5m左右)，应对出现塑性区的岩体部位进行加强处理。计算分析表明支护后塑性区未进一步扩展，变形趋于稳定，因此，围岩及支护结构的稳定性是有保证的。

(4)灌浆圈深度对结构计算的影响主要体现在渗流荷载的差异上，对围岩和支护应力、位移影响较小，因此其选择主要决定于施工的能力、围岩内的塑性区范围和耐久性和渗透坡降。引水洞按10m～15m左右灌浆圈考虑，水力梯度可以控制在80以内，基本合适。

通过引水隧洞渗控计算和围岩及衬砌支护结构非线性有限元分析，可以得到如下基本结论：

(1) 围岩及其加固复合体是地下洞室的主要承载结构，这也是锦屏二级深埋长隧洞支扩设计的理论基础。施工期，对涌突水段实施超前预注浆，通过适时的喷锚支护，和二次高压固结灌浆以及配以透水性相对较好衬砌支护，使隧洞围岩成为主要承载结构，并与支护体系构成联合承载体，共同承担巨大的外水压力。

(2) 对涌突水洞段采用超前预注浆，变动水为相对静水，二次固结灌浆后，在隧洞周围一定范围(10m～15m)的岩体形成抗渗性能较好(渗透系数达到(10-6～10-7)cm/s数量级)的灌浆承载圈，将高地下水压力基本控制在灌浆圈以外，再配合透水性相对较好的衬砌支护(渗透系数大于等于10-6cm/s 数量级)，理论计算显示由灌浆圈围岩和衬砌支护共同承载，其强度和稳定性是有保证的，亦能保证隧洞施工、运行期间对大河湾工程区水文地质环境影响较小。

(3) 灌浆圈的深度变化主要对自身承受的渗流荷载有影响，但对围岩和衬砌支护应力、位移影响较小，因此，灌浆圈深度的选择主要决定于施工的能力、围岩内的塑性区范围和耐久性渗流比降，建议超前预注浆的深度不少于15m，对于涌突水洞段进行二次高压固结灌浆，深度为10m～15m。

(4) 隧洞混凝土衬砌基本上不承担由于隧洞开挖、初始地应力释放调整产生的围岩压力和外水压力，而只起到减少糙率、保护围岩免受水流冲刷和淘蚀、为围岩灌浆提供表面封闭层的作用。为了避免外水压力引起的衬砌结构破坏，则必须保证其自身具有良好的渗透性，即与灌浆后围岩的渗透系数接近或更大。

(5) 渗控和结构分析计算是选择了相对最不利断面进行的。实际隧洞沿线大多数地段围岩完整，天然岩体的渗透系数就很小，大多数洞段不需要进行二次高压固结灌浆。因此，只是针对围岩有渗、涌水洞段和开挖后岩面有渗漏的洞段进行二次高压固结灌浆，工程量有限。支护设计

4.1 支护设计基本思想

引水隧洞支护设计将遵循围岩承载(围岩松动圈，以及内、外水压力等)的设计思想，充分考虑发挥围岩的承载能力，采用喷锚支护和二次高压固结灌浆加固围岩等措施，使围岩和喷锚支护视为统一的复合体成为联合承载结构。

对引水隧洞来说，经采取喷锚支护和高压固结灌浆等工程措施后的围岩能长期维持稳定，而巨大的外水压力必须完全依靠围岩加固承载圈来承担，混凝土薄衬砌仅起改善隧洞的水力学条件、以及防止围岩风化和被冲刷等。

隧洞的涌突水地段可通过辅助洞的施工或地质预报、超前钻孔探明，采用超前预注浆的办法对其加以封堵；涌水量不大或岩面渗、滴水地段，将通过引排水处理、后灌浆等综合措施解决。之后，对隧洞进行衬砌支护及二次高压固结灌浆处理，进一步提高围岩加固圈抗渗承载能力和耐久性，保证围岩作为主要承载结构的能力。

对于I，Ⅱ类围岩地段，岩体较坚硬完整，围岩整体性较好，在少量支护的情况下亦能基本自稳。这两类地段主要依靠围岩本身承载。当岩爆强度不大时，隧洞初期支护可采用随机锚杆支护。当可能发生强岩爆和极强岩爆时，可采取钻设应力释放孔，岩面喷水湿润的措施，需要时可采用超前预应力锚杆、喷钢纤维混凝土联合支护等手段进行防治。

Ⅲ类围岩地段岩体整体性稍差，开挖后围岩会产生塑性变形，初期不支护时可能产生局部塌方或塑性破坏。该类地段围岩节理及溶蚀裂隙相对发育，一般均有滴水、线状水和较大面积的渗水，溶蚀裂隙较发育的洞段会有较大的涌水出现。隧洞顶拱及两侧可采用4.5m～6.0m长的系统锚杆及喷钢纤维混凝土支护，当可能发生较强岩爆时，适当加密锚杆间距和加大喷层厚度。

IV类围岩地段是指岩体破碎的坚硬岩或岩体完整一较完整的软岩地段，软岩或较软岩易产生塑性变形，脆性岩自稳时间短，围岩容易出现较大范围的垮塌。隧洞开挖采用扇形超前锚杆、钢格栅、以及系统锚杆和喷钢纤维混凝土初期支护，永久衬砌支护为50cm厚模注钢筋混凝土衬砌。

V类围岩是指隧洞断层破碎带及不良地质洞段，该地段结构面十分发育，岩体破碎，围岩自稳能力极差，需进行强支护和极强支护，采用管棚、钢拱架、以及系统锚杆和喷钢纤维混凝土作为初期支护，另与70cm厚模注钢筋混凝土的永久衬砌组成复合支护结构。

4.2 支护设计

4.2.1 隧洞初期支护参数初拟

按照上述基本思想，根据隧洞沿线不同的地层岩性及围岩类别，初拟引水隧洞初期支护参数及支护范围(如图4，5所示)。

图4 初期支护典型图(Ⅱ类围岩，超高应力区)

图5 初期支护典型图(V类围岩)

4.2.2 隧洞永久衬砌结构型式初拟

不同围岩类别永久衬砌结构型式不同。隧洞典型衬砌支护断面图见(如图6，7所示)。

图6 隧洞典型衬砌(Ⅱ类，Ⅲ类围岩)

图7 隧洞典型衬砌(V类围岩)

5 结论

(1) 锦屏工程辅助洞和引水隧洞围岩稳定性和结构设计的理论基础是围岩是地下工程中主要的承载结构，隧洞支护设计遵循围岩承载(围岩松动圈，以及内、外水压力等)的设计思想，充分考虑发挥围岩的承载能力，采用喷锚支护和二次高压固结灌浆加固围岩等措施，使围岩和喷锚支护视为统一的复合体成为联合承载结构。这保证了在隧洞衬砌施工前，围岩变形趋于稳定，隧洞混凝土衬砌基本不承担由于隧洞开挖、初始地应力释放调整产生的围岩压力，而仅起到减少过流糙率、保护围岩免受水流冲刷和淘蚀、为围岩灌浆提供表面封闭层的作用；

(2) 锦屏二级深埋长隧洞采用“以堵为主，堵排结合”的设计思路，在预注浆的基础上通过对围岩二次高压固结灌浆，利用灌浆圈围岩和隧洞衬砌支护联合承载，围岩和衬砌支护结构是稳定、安全的；在目前施工技术水平下，也容易保证所要求采取的施工措施。因此，引水隧洞从围岩稳定和结构设计角度出发是成立可行的：

(3) 围岩及衬砌支护结构的应力及变形与支护结构型式及岩体的材料力学特性密切相关，开挖方式，支护时间以及水荷载作历史对结果会产生较大影响；

(4) 随着设计阶段的深入，应加强对工程区洞周工程地质与水文地质条件的研究，对围岩变形及稳定进行监测，继而对支护结构进行反馈设计。