富水区深埋长隧洞围岩及支护的稳定分析

第24卷第2期　

DHPS2008年6月

富水区深埋长隧洞围岩及支护的稳定分析

乐成军1,牛斌1,张继勋2

(11中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都　610072;21河海大学,江苏南京　210098)

摘　要:在总结部分已建工程经验的基础上,按照灌浆加固后围岩是承载和阻水的主要的承载结构这一设计思想,结合我国西南某电站的主要地质问题,对引水洞的支护结构进行了初步设计;应用三维弹塑性有限元法对不同渗控方案所形成的外部水环境条件下围岩及衬砌的工作性态进行了系统的比较研究和评价。得出了一些对同类地区进行地下工程建设的有意义的结论。关键词:引水隧洞;支护结构;围岩;稳定性评价;渗流

中图法分类号:TV554　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-9805(2008)02-0044-05

1　前　　言

我国西南部有许多地下工程位于岩溶高山地

区,在这些地区修建的地下工程普遍具有埋深大、洞线长、地下水丰富、地质条件复杂的特点,因而在设计和建设中将遭遇一系列特殊问题,如高地应力、高外水压力、高压涌水和岩爆等。如何进行围岩稳定评价、采取合理的支护设计以减少灾害的发生是目前工程科技界关注的热点问题[1～5]。本文结合工程实例,在对排水洞方案取得充分认识的基础上,提出了通过灌浆加固引水隧洞围岩使其成为承载和阻水的主要结构的设计思想。

的原则处理涌水,运营以后出现严重病害,涌水量由原来的18000m3/d变为54000m3/d,大量泥沙涌进隧道,施工时处理过的塌陷复活,同时出现了许多新的塌陷。大瑶山隧道从施工到运营先后发生塌坑数百个,影响范围达几平方公里。究其原因是由于处理方法不当引起的。可见,采取“以排为主”的方法是不全面的,没有根本解决岩溶涌水问题。

随着施工技术的提高,近年来隧道工程界进行了多方面的试验研究[1～5,8～10],对隧道涌水的治理的原则和方法有了新的认识,而且研究了新的技术,即以堵为主,适当辅以截排措施的治水原则,在措施上采用预注浆技术封堵岩溶水(见图1)。预注浆封堵技术已在多个岩溶极为发育、涌水量很大的新建隧道中应用,取得了较好的效果。遵循“先探后掘、以堵为主,堵排结合”的原则,在隧洞施工过程中,结合地质超前预测预报,摸清掌子面前方的工程地质、岩溶水文地质条件,在此基础上,通过掌子面超前预注浆和超前迂回导洞预注浆等施工措施,封堵较大的地下渗涌水,并根据现场的实际水文地质情况,再对其中围岩较差、地下水渗流情况特别严重的洞段,进行围岩二次补充固结灌浆,以进一步提高围岩抗渗承载能力和耐久性。至于渗流量不大、对隧洞开挖影响较小的洞段(q<20L/s),则进行后注浆处理,控制引水隧洞总渗流量,使其不致影响工程区的水文地质环境。212　围岩承载思想

地下洞室的主要承载结构是围岩及其加固复合体,这已经成为国内外工程界的共识。地下洞室的

2　围岩承载设计思想和涌水处理思路

211　地下工程涌水处理方法

根据工程区岩溶地下水的特点,对地下水的处

理历来有排、堵之争。以往的工程多采用“宁疏勿堵”的原则,铁路隧道设计规范[6]规定如下“:隧道防水应采取‘防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理’的原则,达到防水可靠,经济合理的目的”,而对于堵、排的侧重则没有提及。1990年的公路隧道设计规范[7]则直接规定“:以排为主,防、排、截、堵结合”的原则。但是这种处理方法产生了许多严重的地质灾害和环境问题,如地表塌陷、地面沉降变形、水塘井泉干涸、农田缺水、林木枯死等,严重影响了隧道周围的生态环境。中梁山隧道最初采取“以排为主”

　　收稿日期:2006-12-04

　　作者简介:乐成军(1972-),男,四川井研人,工学士,工程师,主要从事水工设计及管理工作。

44

　　根据引水隧洞不同地层岩性,考虑开挖洞径、地下水及地应力等情况,按地质部门建议的围岩分类,初步拟定引水隧洞初期支护参数。对于岩体坚硬完整的Ⅰ类围岩地段,围岩整体性好,在不支护的情况下能长期自稳。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。以上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。在这类围岩中涌水问题不严重,通过开挖后对局部裂隙地带进行注浆封堵即可(见图2a)。

Ⅲ类围岩地段岩体整体性稍差,有一定的透水性,开挖前要实施超前预注浆,形成阻水帷幕,开挖后围岩会产生塑性变形,若初期不支护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还会出现较大的涌水。隧洞顶拱及两侧可采用415～6m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,可适当加密锚杆间距和加大喷层厚度(见图2b)。

Ⅳ类围岩地段是指岩体破碎的坚硬岩或岩体完整-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。隧洞开挖采用超前预注浆、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(见图2c)。

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,需进行强超前预注浆、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(见图2d)。31312　永久支护设计

在初期支护的基础上,按照不同的围岩类型进行永久支护结构的设计。Ⅱ类围岩基本稳定,衬砌模注混凝土厚40cm,配单层筋,局部涌水段采取二次高压灌浆处理。Ⅲ类围岩局部稳定性差,衬砌模注混凝土厚40cm,配单层筋,局部涌水段采取二次高压灌浆处理。Ⅳ类围岩不稳定,衬砌模注混凝土厚50cm,配单层筋,二次灌浆封堵处理。Ⅴ类围岩极不稳定,衬砌模注混凝土厚70cm,配双层筋,二次灌浆封堵处理。

图1　超前注浆施工示意

开挖,改变了岩体的原始地应力和初始渗流场状态,

使围岩应力重分布,围岩在重新调整后的应力状态下的稳定性,是地下工程主要的研究课题。由于外水压力巨大,常规的钢筋混凝土衬砌将无法承载而失稳。通过灌浆加固周边围岩使其成为承载和阻水的主要结构,是隧洞支护设计的主要思想。灌浆加固围岩的设计要求(灌浆深度、抗渗要求)则结合岩体的基本情况和运用要求通过比较研究后确定。

3　深埋长引水隧洞支护结构设计

311　深埋长引水隧洞主要工程地质问题[11]

从实测资料和数值计算结果看,高地应力、高外水压力和涌水可能是在修建深埋长引水隧洞时遇到的最大工程地质问题。某工程区的地应力最高可达42111MPa,属于超高地应力区,作用在衬砌上的最大外水压力约11MPa,也属于高外水压力。隧洞岩爆和涌水问题突出,岩爆主要发生在地应力高、岩体完整性好、岩质坚硬致密的Ⅱ类围岩中,其他地段也有发生,数值计算预测隧洞的稳定涌水量在5～6m3/s。

312　隧洞支护设计原则

该工程的引水隧洞支护设计遵循围岩承载的设计思想,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,将围岩和喷锚支护视为统一的复合体而成为联合承载结构。对于引水隧洞,采取超前预注浆形成防水帷幕进行封堵,开挖后辅以径向灌浆对局部渗漏明显部位进行二次封堵是“以堵为主”设计思路中的阻水结构。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承担,混凝土薄衬砌仅起改善隧洞的水力学条件,防止围岩因风化和被冲刷使应力状态恶化,减少过流糙率、降低水头损失,而不是主要用以承担洞周的山岩压力和渗流场力。313　隧洞支护结构设计31311　初期支护设计

45

(a)引水隧洞Ⅱ类围岩初期支护典型图(b)引水隧洞Ⅲ类围岩初期支护典型图

(c)引水隧洞Ⅳ类围岩初期支护典型图(d)引水隧洞Ⅴ类围岩初期支护典型图图2　隧洞初期支护基本参数和典型断面力和变形,以确定合理的支护方式。对不同类型的

4　隧洞支护结构渗控分析　　根据前述的支护设计方式,对不同的渗控方案

进行了三维有限元分析,计算结果见表1。

从表1中可以看出:灌浆圈岩体渗透系数降低的数量级越大,则灌浆圈外缘的外水压力就越大,而支护外缘的外水压力却越小;同样,灌浆圈深度越大,灌浆圈外缘的外水压力就越大,而支护外缘的外水压力就越小。这说明隧洞的外水压力由灌浆圈岩体和支护共同承担,并且是灌浆圈岩体承担大部分的外水压力,支护只承担较小的外水压力。

围岩和支护结构分别进行了三维弹塑性有限元分析,计算采用河海大学水工结构所自编的三维渗流有限元程序和二次开发的商业软件FLAC。511　计算模型和基本参数的确定

为了确定在高压岩溶水状态下,保证支护结构和围岩稳定,该引水隧洞所需加固圈的最小尺寸,需要对围岩预注浆加固圈在支护尚未施设以前,即处于最不利的状态下,进行单独承载稳定性分析。研究根据已确定出的合理结构断面形式,选取不同厚度加固圈施加高压涌水荷载,并在其外边界作用地应力荷载,采用考虑峰后强度的弹塑性本构关系进行数值分析,通过研究塑性范围及变形情况,确定出合理的加固范围,在此基础上模拟衬砌的工作性态。51111　计算模型

5　引水隧洞支护结构的数值分析

计算在不同的渗控方案下,初拟支护结构的受

表1　引水洞开挖支护后各方案计算结果汇总

方　　案

项　　目

支护外缘水压力/MPa

灌浆圈外缘水压力/MPa隧洞涌水量/m3・s-1洞顶最高地下水位/m

16(015)0172112231981842

210(015)0159115431881860

315(015)0150117831761876

46(110)0144214021942008

510(110)0143215821862015

615(110)0140217821792024

76(115)0134318421042200

810(115)0132413811922210

915(115)0127511511782230

注:表中6(015)表示灌浆圈深度为6m、渗透系数降低015个数量级的方案,其他方案的含义同该方案。

46

　　计算模型在整体渗流场和地应力场三维计算模型的基础上,采用子模型模拟隧洞穿过区域的敏感地质构造地带的开挖所带来的围岩及支护的稳定性问题。模型分别采用距离进水口4435m的断层F5及F5附近的围岩500m洞段(Ⅴ类围岩);距离进水口8880m最大埋深处的300m洞段(Ⅱ类围岩,见图

材料岩体灌浆圈支护

E/MPa

3);距离进水口15200m处三类围岩500m洞段(Ⅲ、

Ⅳ类围岩)。现以Ⅱ类围岩为例进行分析。

51112　计算参数计算采用的材料力学参数由设计部门提供(见表2)。51113　主要荷载

Rc/MPa

c/MPa

)表2　材料力学参数

μ

0118011801167

Rl/MPa

γ/kN・m-3

271727182510

171017152810

2102121175

858517

1115112215

521435315054150

洞开挖并作用渗流力(第二级加载)+4条引水隧洞开挖、支护并作用渗流力(第三、四级加载)。计算结果见表3。

对以上计算成果分析可知:

(1)围岩—支护结构联合受力可以有效地改善

衬砌的受力性态。由于支护是在围岩变形完成后施加上去的,其仅承受四、五级的增量水荷载,且与岩

图3　Ⅱ类围岩结构计算有限元网格

体共同承担,在稳定渗流期支护的应力较小。

(2)围岩及支护结构的应力及变形与衬砌支护　　外水压力采用三维有限元渗流计算结果,地应

力资料直接采用初始地应力场研究反演计算结果,暂不考虑内水压力。512　计算结果及其分析计算采用不同的计算工况,加载顺序为:初始地应力(0级加载)+初始渗流场(第一级加载)+辅助

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。在现有的力学参数及施工方式的条件下,不同方案的围岩变形差异较大,多在6～8cm左右。洞腰出现一定范围的塑性区(410m左右),应对出现塑

方　　案

表3　引水隧洞应力和位移计算结果

项　　目σ1

σ顶1部σ3σ1

围岩应力/MPa侧

墙σ3σ底1部σ3支护应力/MPa顶

围岩位移/cm侧ux

底

uyuy

1-5102-67181-10179-102160-6182-69171-10187-71763196-4195415

2-4196-68123-11102-102190-7110-69192-11106-71323142-4152415

3-4188-68154-11123-103110-7122-70101-11118-71183121-4132414

4-4111-69102-10186-103130-7101-69188-11112-61682198-4122412

5-3196-69160-11102-103180-7123-70107-11129-61502190-4118410

6-3185-70112-11153-105100-7148-70160-11131-61462184-4114410

7-3145-71123-11108-104120-7144-70142-11142-61122164-3197410

8-3119-72113-11128-104180-7152-70159-11154-61052157-3172315

9-2197-72181-11129-104160-7188-73121-11154-51692154-3135315

洞周塑性区范围/m

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。

(3)从结构计算的结果来看,现有的支护方式是可以满足稳定要求的。考虑涌水处理的需要,建议采用方案9作为设计采用的支护灌浆方案。

6　结　　论

(1)根据渗控和结构计算结果,在富水区进行深

埋地下工程建设时,对涌水采用“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

47

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得以实施。

(2)沿衬砌径向的渗透系数的变化对支护结构

[3]　张志强,关宝树,等.圆梁山隧道在高水位条件下支护结构体系

研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(5):763-769.

[4]　任旭华,王树洪,等.深埋隧洞围岩稳定性分析及结构设计研究

[J].湖南科技大学学报,2004,6(3):39-42.

[5]　姜云,王兰生.深埋长大公路隧道高地应力岩爆和岩溶突水问

题及对策[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1319-1323.

[6]　TBJ3-85铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,

的稳定性和力学性态是有影响的,对此还需要做进一步的分析研究。

(3)随着深埋长隧洞施工的进行,将会有更多的

1995.

[7]　JTJ026-90公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,

1990.

[8]　陈绍林,李茂竹,等.四川广(安)—渝(重庆)高速公路华蓥山隧

水文地质现象被揭露,因此还要根据新的资料进行再次分析研究,对设计及时修正,以保证施工的顺利进行。参考文献:

[1]　黄润秋,王贤能.深埋隧道工程主要灾害地质问题分析[J].水

道岩溶突水的研究与整治[J].岩石力学与工程学报,2002,21

(9):1344-1349.

[9]　孙金库,冉懋鸽.不良地质洞段高压固结灌浆处理[J].岩石力

学与工程学报,2004,23(18):3196-3202.

[10]　潘亨永,何江达,等.天生桥二级水电站引水隧洞高外水压力

形成机制及排水效果渗流场分析[J].红水河,1998,17(1):26-29.

[11]　张继勋,任旭华,等.锦屏二级水电站引水隧洞主要工程地质

文地质工程地质,1998(4):21-24.

[2]　任旭华,王美芹,等.锦屏二级水电站深埋隧洞外水压力研究

[J].水文地质工程地质,2004,31(3):85-88.

问题分析[J].水利水电科技进展(已被录用待刊).

　　(上接第39页)

试验。试验表明,发电工况下调压室内未观测到异常的水流现象。设计方案抽水工况下,水流呈斜向进入调压室,受调压室西侧边墙的影响,在调压室拦污栅西侧水面产生回流,但未发现有立轴漩涡形成,

试验测得最大回流流速约015m/s。在河道整治及调压室修改方案中,调压室进水口附近水面无明显回流现象,各孔进流仍基本均匀,事故闸门振动小。

图7　发电工况调压室与尾水隧洞分流比图8　抽水工况调压室与尾水隧洞分流比

4　调压室的特点

(1)在高水位时调压室可出/进水口,减小水头

渣,施工环境好,减少了地下洞室,洞室群稳定性好,

且施工干扰少。

(4)调压室工程量小,投资省。

损失,减小抽水水头,增加发电水头,从而可节约抽水运行费,增加发电效益。

(2)通过水力整体变态模型及过渡过程计算可知,本工程调压井设计作为出/进水口时流态好、水位波动小,尾水管及蜗壳水击压力小,尾水闸门振动小,运行条件好。

(3)由于调压室出露在河岸边,交通方便,易出

5　结束语

本工程调压室设计是一种创新设计,虽还没有正式运行,但经过水力模型试验和过渡过程计算,预计运行工况将良好。此设计在抽水蓄能电站中运用条件合适,也可拓展到常规的梯级电站设计中。

48