預裂爆破開挖對地下廠房巖錨梁的變形控制研究

羅 肖, 鄭 虹, 江 權, 袁 維, 陳 濤

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050043;2.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430000;3.四川華能瀘定水電有限公司,四川 甘孜藏族自治州 626000)

深部巖石工程問題是西部水電開發過程中不可忽略的一部分,通常因復雜的地質構造、高地應力和高地溫等問題造成施工過程中坍塌、巖爆等地質災害,也將會對水電站地下廠房的穩定性造成一定的影響。

地下洞室開挖過程中圍巖應力卸荷破壞會導致圍巖振動并危害工程安全[1]。地應力較高時,開挖卸荷破壞甚至可能超過爆破振動破壞而成為圍巖破壞的主要因素[2]。而大型地下工程多層開挖則可能造成下層開挖擾動時上層結構的破壞。瀑布溝水電站地下廠房開挖過程中巖壁吊車梁下游廠橫出現深約0.5 m的裂縫,對后續施工存在一定的破壞影響[3]。開挖擾動荷載作用下巖錨梁與巖臺的黏結面將會遭到破壞[4],導致巖錨梁失穩。為削弱前期巖臺開挖爆破時圍巖擾動、應力調整對巖錨梁沉降造成的影響,王紅彬等[5]對開挖方式和支護方法進行了優化和調整以減小爆破程度并降低卸荷破壞程度。張必軍[6]應用套管法對巖錨梁巖臺開挖進行質量控制。魏星等[7]則采用傾斜預裂爆破和傾斜孔深孔臺階式爆破的方式減小其對邊坡巖體完整性的影響。目前在國內多個大型地下廠房巖錨梁開挖與變形控制的實踐中,巖錨梁開挖施工技術處理支護方案優化已經較為成熟,但仍缺乏基于開挖卸荷圍巖計算力學角度分析預裂爆破對巖錨梁變形控制作用的研究。

以硬梁包水電站地下廠房主廠房第3、4層開挖為例,采用FLAC3D有限差分軟件模擬了不同施工工序下圍巖的力學響應情況。研究充分考慮了預裂卸荷后提前釋放部分圍巖變形對巖錨梁后續變形的影響。通過監測巖錨梁附近圍巖位移的變化,對比分析了先預裂第4層再澆筑巖錨梁和先澆筑巖錨梁后第4層預裂2種施工工序下圍巖位移情況。研究結果可為解決硬梁包地下水電站巖錨梁的穩定問題提供參考。

1 工程背景

1.1 工程地理位置

硬梁包梯級水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣冷磧鎮境內的大渡河干流上,為四川省大渡河干流最新規劃22級方案的第13級電站,上游梯級為瀘定水電站,下游梯級銜接大崗山水電站。廠址區位于川滇南北向構造帶北端與北東向龍門山斷褶帶、北西向鮮水河斷褶帶和金湯弧形構造帶的交接復合部位,區域地質構造背景復雜且主要分布為花崗巖。上游廠廊式調壓室高邊墻開挖尺寸規模和支護設計難度空前,其中地下廠房洞室斷面形狀采用圓拱直墻形,頂拱跨度28.20 m,在第3層開挖后搭建巖錨吊車梁,開挖巖錨吊車梁后廠房跨度25.40 m,最大高度66.8 m;副廠房斷面尺寸為跨度25.40 m,最大高度39.0 m。

1.2 廠房分層開挖與預裂爆破施工

預裂爆破是針對工作面超前支承壓力影響范圍內的頂板提前采取處理的一種手段[8]。該方法原理是在主體爆破前,通過在一定范圍內預設一條裂縫,釋放部分圍巖的壓力,弱化巖體力學性質,弱化圍巖應力集中程度,使高應力向深部轉移;在主體爆孔爆破時,預設爆破范圍外的圍巖受到預裂縫的良好保護,形成一個平整的輪廓面,對巖錨梁的混凝土保護層也起到穩定的保護作用。由于該方法受地質條件限制小,對工作面正常生產影響小,所以被廣泛運用于存在不良地質條件的地下工程。白蓮河蓄能電站地下廠房第2層分步開挖先對中部拉槽區進行預裂爆破,減輕拉槽梯段爆破對巖壁梁預留保護層的振動破壞[9]。別斯庫都克露天煤礦的邊坡采取預裂爆破技術進行邊坡裂紋控制,提高了保留巖體的穩定性[10]。

硬梁包洞室群廠址區域地應力場的演化經歷了河谷強烈沖刷下的侵蝕、剝蝕和沖淘等地質作用,受底層侵蝕卸荷作用的控制。洞室群分布巖層巖體多微新,裂隙較發育。

圖1(a)為硬梁包廠房分層開挖示意圖?，F場花崗巖裂隙多而雜,其不規則硬質結構面導致局部應力集中和巖體不連續,產生的不連續面會阻擋能量轉移,造成開挖面與不連續面之間產生應變能堆積。隨著開挖面的應力應變不斷接近不連續面,開挖面與不連續面之間的巖石將會同時破裂,形成片幫破壞甚至巖爆。根據圖1(b)所示,廠房第1層開挖后,隨時間的推移,圍巖逐漸產生漸進性的松弛開裂和剝落現象。片幫的深度和范圍也不斷擴大,并且這種破壞過程持續時間較長。開挖過程中現場觀察到廠區存在不規則、具有一定厚度的軟弱夾層,可能導致開挖卸荷下巖體內部局部應力分異和上盤、下盤變形不連續,從而引起巖體的時效變形。

圖1 廠房開挖示意圖

硬梁包地下廠房第2層開挖發現,后續分層開挖對廠房上部巖體變形影響較大。廠房第2層開挖引起第1層拱頂圍巖變形3～5 mm,第3層開挖引起拱頂變形約3 mm。第3層開挖逐漸顯露出花崗巖蝕變,巖體完整性不夠理想,因此,硬梁包地下廠房第4層開挖必然會引起廠房第3層高程區域圍巖變形增長,進而可能導致巖錨梁混凝土結構的變形增長,誘發巖錨梁不均勻變形、局部開裂等問題。

鑒于硬梁包廠址存在不良地質條件,并考慮到現場勘測情況,針對巖錨梁封層部分可能受爆破影響的問題,巖錨梁的澆筑時機變得尤為關鍵和重要。而巖錨梁澆筑時機的關鍵在于廠房第4層預裂對第3層圍巖提前釋放部分變形的影響,因此需要借助數值模擬手段對該問題進行研究分析。實際施工中,第4層開挖預裂爆破的方式,是在距離兩側3 m處依照排列確定小孔位置,布置導向孔,鉆孔后放置適量的引爆炸藥,爆破后沿著預裂孔方向將會出現裂縫,以達到釋放圍巖應力的目的。

圖2 第4層預裂效應的準三維數值模擬計算模型

2 預裂法數值計算

2.1 預裂拉槽網格模型建立

第4層開挖會造成巖錨梁一定程度的變形,為探究第4層預裂爆破應力釋放之后再澆筑巖錨梁能多大幅度降低巖錨梁變形,通過FLAC3D有限差分軟件建立廠房計算模型,計算模型邊界條件如表1所示。在計算模型中分塊添加預裂孔進行預裂等效模擬,如圖2所示。

表1 計算模型邊界條件 MPa

主廠房巖體第1、2、3層依次開挖后,從主廠房第3層底板開始,在距第4層兩側邊約3 m的位置垂直向下設置預裂孔,通過巖體瞬態卸荷模擬進行預裂,基于計算位移釋放量級等同現場預裂縫量級的方式模擬預裂荷載效應。

2.2 理論模型

將地下工程巖體由開挖前的三向應力狀態調整為開挖后的二向應力狀態,應力集中或卸荷使得圍巖力學狀態劣化并導致屈服破壞。實際施工中圍巖應力再次調整,巖體基本力學性質也會發生明顯變化。以微觀角度來看,表層圍巖物性參數發生明顯劣化,其原因一方面是卸荷作用導致原處于密閉狀態下的細微裂隙趨于張開,另一方面是洞壁環向應力的劈裂作用和施工擾動進一步加劇了原有裂隙的擴展和新裂隙的產生;以宏觀角度來看,圍巖應力重分布是巖體變形模量(E)、黏聚力(C)、內摩擦角(φ)等發生改變的過程。

因此,當以數值方法研究地下洞室群圍巖破損的力學行為時,其本構模型是通過巖石強度理論分析不同應力狀態條件下巖石的屈服和破壞機理,準確反映出巖體材料在屈服破壞的突然性和巖體屈服后力學參數隨圍巖破損而改變的這2個基本特征。等效塑性應變是描述材料屈服后塑性程度的指標。

(1)

為反映巖體屈服后力學參數的動態變化過程,可假設E、C、φ都是隨等效塑性應變的函數。因此,當數值循環計算過程中巖體屈服后,3個基本力學參數將隨等效塑性應變進行動態調整。

(2)

開挖卸荷計算過程中圍巖力學模型采用反映巖體彈性模量、黏聚力隨塑性應變裂化或弱化、摩擦強度隨塑性應變強化的巖體劣化模型(rock mass deterioration model, RDM)模型[11],硬梁包地下廠房圍巖力學參數如表2所示。

表2 圍巖力學參數

2.3 模擬計算結果分析

通過準三維數值模擬計算模型,對廠房開挖后位于廠橫0+35.0和廠橫0+85.0 2個剖面的巖錨梁附近圍巖位移增加趨勢進行了分析。表3展示了圍巖變形的對比結果。廠橫0+35.0與廠橫0+85.0位置處第3層開挖巖臺附近圍巖變形量3 cm左右,預裂卸壓之后巖臺附近圍巖變形量增長到4.5 cm左右,第4層開挖后巖錨梁附近圍巖變形位移增加到5 cm左右,后續的開挖過程中巖錨梁巖臺附近圍巖位移也均控制在5.5 cm內,此計算結果表明,預裂孔爆破完成后巖錨梁巖臺附近圍巖釋放了部分應力,產生了一定程度的卸荷松弛,在預裂爆破作用下提前釋放了部分變形。如果在進行預裂后進行巖錨梁的澆筑,盡管巖錨梁的封層部分可能會產生一定的變形,但相比于在預裂前進行澆筑的情況,其產生的變形更小。這意味著在預裂后進行澆筑能夠減少封層部分的變形,從而提高巖錨梁的整體穩定性。因此,在考慮巖錨梁澆筑時機時,將預裂后進行澆筑可能是一個更好的選擇。

表3 分層開挖及第4層預裂施工后圍巖變形云圖對比 m

圖3 巖錨梁上游側和下游側測點位置示意圖

2.4 巖錨梁穩定性分析

通過監測廠橫0+35.0和廠橫0+85.0 2個斷面上巖錨梁上游側和下游側的2個測點(見圖3),可以觀察預裂開挖對巖錨梁附近圍巖變形的影響。

圖4為各層開挖后巖錨梁上游側和下游側測點變形趨勢,對比顯示下游側變形要比上游側變形量更大。根據表4所示的數據,預裂孔爆破后的釋放變形量顯示,通過預裂操作可以減小廠房第4層開挖對巖錨梁附近圍巖變形的影響,減小的幅度約為40%。因此,采取先預裂第4層再澆筑巖錨梁的方式,能夠在一定程度上減小巖錨梁受開挖影響而導致的變形。這些結果表明預裂操作對于保證巖錨梁的穩定性具有重要的意義。

圖4 各層開挖后巖錨梁附近測點變形趨勢

表4 預裂孔爆破后釋放變形量比例 %

圖5 第4層預裂爆破后巖錨梁現狀

通過后續第4層開挖完成之后現場實際勘察巖錨梁及其附近圍巖未造成明顯破壞(見圖5),證明該方法對控制巖錨梁的變形破壞較為有效。

3 結論

針對硬梁包水電站地下廠房巖錨梁澆筑與第4層預裂開挖施工順序問題,綜合硬梁包廠房現場圍巖變形表現、同類工程經驗和模擬預裂開挖的過程分析,有如下結論:

(1)廠房第4層開挖將會不可避免地引起上層高程圍巖的變形增長,其變形量最大可能達到10 mm,而巖錨梁的巖臺附近圍巖變形增長更為明顯。因此采取合理施工順序優化減小澆筑的巖錨梁受第4層開挖誘發的變形有利于巖錨梁穩定性。

(2)在巖錨梁澆筑前先進行第4層開挖的邊墻預裂爆破施工可以一定程度上減小第4層開挖導致的巖錨梁大幅變形,模擬各層開挖以及預裂施工時圍巖變形。結果顯示,在第4層開挖前先進行預裂,可使廠房第3層巖臺附近圍巖變形提前釋放40%左右,從而使后期澆筑的巖錨梁不受該預裂誘發變形的影響。

(3)此外,受廠區三維初始地應力場影響,硬梁包廠房下游墻腳應力集中較為明顯。模擬第4層預裂開挖時下游巖錨梁變形較大,可能是受該地應力場的影響,而廠房第4層預裂施工有利于轉移巖錨梁區域的應力集中,釋放圍巖應力。因此,巖錨梁開挖支護后進行第4層預裂有利于維持巖臺的穩定和完整性。