Study on Influence of Excavation Sequence on Stability of Surrounding Rock of High Side Wall
Underground Cavern
王知深① WANG Zhi-shen；李勇①② LI Yong；朱维申① ZHU Wei-shen；董振兴① DONG Zhen-xing
（①山东大学岩土与结构工程中心，济南 250061；②山东大学土建与水利学院，济南 250061）
①Geotechnical & Structural Engineering Research Center，Shandong University，Ji'nan 250061，China；
②School of Civil Engineering，Shandong University，Ji'nan 250061，China）
摘要：地下洞室群的合理开挖方案对于围岩的稳定性和减少支护成本有着极其重要的意义。以某地下泵站厂房开挖为工程背景，建立了三维计算模型，基于快速拉格朗日法FLAC3D，对三种不同的开挖方案进行了稳定性分析，对分期开挖过程中洞室围岩的应力场、位移场和塑性区的分布规律进行了分析。提出了较优的可变更的施工顺序，为施工设计和现场施工提供了参考依据。
Abstract: The reasonable excavation scheme of underground caverns is of great significance to the stability of surrounding rock and the reduction of support cost. Taking the excavation of an underground pump station as the engineering background, this paper establishes a three-dimensional calculation model. Based on the fast Lagrange method FLAC3D, the stability of three different excavation schemes is analyzed, and the distribution law of stress field, displacement field and plastic zone in the surrounding rock of the tunnel is analyzed. A better and changeable construction sequence is put forward, which provides reference for construction design and site construction.
关键词：地下洞室；FLAC3D；数值分析；开挖优化；稳定性分析
Key words: underground cavern；FLAC3D；numerical analysis；excavation optimization；stability analysis
中图分类号：U456.3+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0120-03
0 引言
大型水电工程大多处于高山峡谷之中，其地形地质条件都十分复杂[1-3]，厂房洞室群大多建设在两岸地下山体中[4-7]。由于大型地下洞室群结构复杂[8-10]，且各洞室之间相互影响，不同的洞室间距、开挖顺序和支护方式对地下洞室群围岩均有重大影响。洞室群开挖存在分期分块的特点，在各项措施中，如何选择最经济有效、最安全的开挖方案，是与工程实际相结合的最优化问题。选择合理的开挖顺序，不但可以缩短地下洞室群的施工工期，而且有利于围岩的稳定和减少支护成本。
本文基于FLAC3D数值分析软件平台，对地下厂房洞室群在分级开挖过程的稳定性进行模拟计算。为了分析洞室群开挖步序的合理性，对比研究了三种拟定开挖顺序下的地下洞室群围岩在分级开挖过程中位移场及围岩塑性区演化规律，揭示可能的围岩失稳方式及失稳部位。
1 工程概况
某水利工程取水枢纽从取水口至出水池段，沿线长约6.2km，设计取水流量20m3/s，泵站装机容量8.4万kW。包括取水口、引水隧洞（1#隧洞）、调压井、引水压力管道、地下泵站、出水压力管道、出水池建筑物。
该地下泵站厂区主要建筑物由地下泵站（包括主泵房、副厂房和安装间）、通风机室、出水阀室、电缆竖井及连接洞、交通洞、通风洞、灌浆排水廊道、地面厂区等建筑物组成。
该地下泵站围岩岩体结构为层状结构，地下泵站系统以Ⅲ类围岩为主，局部分布有Ⅳ类围岩，以页岩为主。主泵室部位Ⅲ类围岩约占85%；Ⅳ类围岩约占15%。下泵站范围内发育的裂隙有两个显著的特点：首先就是NE向陡倾角裂隙发育，其次为垂直NE向一组NW向裂隙发育，缓倾角裂隙主要为层间裂隙。结构面多泥钙质充填或无充填。
主要边墙岩性为奥陶系中统（02）灰岩、白云质灰岩夹泥灰岩；下统（01）灰岩、白云质灰岩、条带状灰岩夹泥灰岩。
边墙大部分钻孔岩芯多为长柱状，岩体完整性较好，围岩为Ⅲ类。右侧顶拱位置，边墙中部及下部位置，钻孔岩芯相对较为破碎，多为碎块状。此范围内边墙岩体相对较为破碎，为Ⅲ~Ⅳ类围岩。
2 FLAC3D的基本特点
计算分析采用国际通用的大型三维数值计算分析软件FLAC3D进行计算。
FLAC3D是快速拉格朗日分析方法，它采用显式或隐式有限差分，可以模拟岩土或其它材料的力学行为。FLAC3D将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法。由于采用了显式或隐式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，所以它可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点[11]。
3 三大开挖顺序方案
根据其它工程经验，地下洞室采用分层开挖，计算中应按边开挖、边支护模拟，即开挖一层、支护一层，下层的开挖应在上层支护完成后再开始。地下厂房边墙不同高程分别与交通洞、通风洞、泵站支洞等洞室相贯通。开挖中按照小洞贯大洞（室）即小洞提前进入大洞的原则进行开挖。小洞洞口先进入厂房，进行锁口和系统支护后才能进行厂房边墙的开挖。主泵房分层开挖施工可考虑与出水阀室同高程开挖同步进行和不同步错层施工三种方案。
本节取较有代表性的4#机组的模型对地下厂房洞室群在分级开挖过程的稳定性进行分析，对比给出的三种开挖方案，确定较合理的开挖顺序。三种开挖方案的具体开挖顺序如图1。将主泵房分为6个部分从上至下按顺序开挖，出水阀室分为2个部分从上至下按顺序开挖，其他的交通洞等作为单独部分进行开挖。方案1是主厂房，出水阀室，以及交通洞等同时开挖；方案2为主厂房开挖至第4部分后，出水阀室开始开挖，交通洞等与主厂房同时开挖；方案3为主厂房6部分开挖完成后，再进行出水阀室的开挖，交通洞等与主厂房同时开挖。
为了进一步说明地下厂房各工程部位在分级开挖过程中的变形特征，对该机组段的横剖面，分别在主泵室、出水阀室中选择洞室拱顶以及上下游边墙中部围岩选取关键点，计算后提取关键点点的位移值。选取的关键点示意图参见图2。
4 计算范围与计算模型
建立了该工程中某一机组的三维洞室模型在FLAC3D的基础上进行稳定性分析计算。模型包含了该机组的主泵房、出水阀室、灌浆排水廊道、泵站1号、2号、3号支洞等。其中围岩岩体力学参数选取Ⅲ类围岩参数，弹性模量为27GPa，泊松比为0.26；破碎参数选取Ⅳ类围岩，弹性模量为0.8GPa，泊松比取为0.23。4#机组三维模型共划分141246个单元，27583个节点。4#机组厂房网格图如图3所示。
第一、二种开挖方案开挖部分6步进行，第三种开挖方案开挖部分8部进行，分析比较了三种不同的开挖顺序时，洞室围岩塑性区范围如图4~图6。
根据计算，方案1开挖完成后，主厂房洞室围岩塑性区范围为4018.67m3，出水阀室围岩塑性区范围为1097.61m3，合计总塑性区为5116.28m3。方案2开挖完成后，主厂房洞室围岩塑性区范围为3853.48m3，出水阀室围岩塑性区范围为809.73m3，合计总塑性区为4663.21m3。方案3开挖完成后，主厂房洞室围岩塑性区范围为3949.50m3，出水阀室围岩塑性区范围为668.64m3，合计总塑性区为4618.14m3。因此可以看出，无支护条件下三种开挖顺序中方案1的塑性区总体积较大，方案2、方案3的塑性区总体积较小，对周围围岩的扰动较小。
分别计算了三种开挖方案时，主厂房和出水阀室关键点位移情况如表1。
通过表1可以看出方案2、方案3两种开挖顺序关键点的位移值相差不大，都小于开挖方案1，且各关键点的位移值变化规律基本一致。围岩总体朝向开挖临空面变形。边墙部位变形较大，以水平变形为主，拱顶下沉，底板回弹。通过分析三种开挖方案完成后的塑性区以及关键点位移可以看出，方案2和方案3均优于方案1。
计算方案2和方案3每一步开挖后关键点位移可以得到：两种不同开挖方案下在第4步达到最大的竖向位移，分别为1.938mm、1.903mm。随着开挖的继续，主泵室洞室的顶拱均一定的回弹，在两种开挖方案完成后分别回弹至1.694mm、1.627mm。由于主泵室边墙中部位置有破碎带穿过，主泵室边墙的位移在开挖过程中逐渐增大，位移最大点出现在主泵室上游边墙中部ZB03附近，方案2其值达到8.237mm，略小于方案3的8.727mm。
出水阀室拱顶在两种方案下的最大位移均出现在各方案开挖的最后一步，方案2和方案3开挖导致的拱顶竖直位移差别不明显，分别为4.43mm和4.45mm，回弹过程不明显。在三种开挖方案中，出水阀室的最大位移出现在下游边墙中部，约为5mm以上。在方案三中，出水阀室开挖顺序靠后，在主泵室开挖完成后再进行开挖，但由于两个洞室的距离较近，出水阀室的开挖将继续扰动主泵室下部的围岩，从而使主泵室下部边墙关键点水平位移较大。
通过分析各分期开挖方案主泵室周边关键点应力变化可以看出，开挖后，洞周径向应力释放，切向应力增加。当开挖临近关键点时，由于受到开挖扰动的影响，关键点附近应力会出现剧增，随着开挖的继续推进，下部开挖对上部区域应力的扰动逐渐减弱。各关键点的最大主应力基本为压应力，在主泵室拱顶与上游拱脚处出现较大的压应力集中，其中，最大压应力出现在主泵室拱顶关键点ZB01附近。另外，由于破碎带的影响，主泵房下游边墙中部也出现了较大的应力集中。三种方案开挖完成后主厂房拱顶最大主应力分别为21.959MPa，21.658MPa，22.308MPa。开挖方案2拱顶的应力集中情况比其他两种方案略好。因此综合来看，开挖方案2要优于开挖方案3。
5 结论
本文建立了相应机组的三维模型，对拟定的3个施工开挖顺序方案从重分布应力场、位移场、塑性区等3个主要方面进行对比分析，三种不同开挖顺序下对洞室周围岩体的扰动来看，方案1对周边岩体扰动较大，开挖完成后总塑性区为5116.28m3，远大于其他两种开挖方案。方案3由于对岩体进行了多次扰动，因此关键点位移以及洞室拱顶应力集中情况比方案2大。因此综合考虑塑性区、位移值和应力值的大小，认为开挖方案2比较合理。开挖方案2先开挖主泵室，开挖到第4步之后再进行出水阀室上层的开挖，对周围岩体扰动较小。
本文针对大型洞室群开挖方案的优选研究，可为类似工程地质条件下地下厂房洞室群实现快速、经济、安全的开挖施工提供参考。
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