大型地下洞室群開挖的施工預(yù)測與信息化管理(修改稿)

1、大型地下洞室群開挖的施工預(yù)測解析與信息化管理Predictive analysis and observational construction for a large-scale underground powerhouse cavern complex.汪易森劉斯宏（中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，北京）（河海大學(xué)，南京）摘 要：介紹了天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室群施工預(yù)測解析與信息化施工管理的工程實(shí)例。工程開工后完全模擬洞室的開挖實(shí)況，進(jìn)行了三維彈塑性有限元計(jì)算分析，預(yù)測了洞室開挖過程中圍巖應(yīng)力、位移和屈服范圍的變化規(guī)律。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及施工現(xiàn)場的觀測結(jié)果，及時(shí)修正調(diào)整了施工期的支護(hù)參數(shù)，確保了工

2、程的順利完成。關(guān)鍵詞：地下洞室群；施工預(yù)測解析；信息化施工管理；支護(hù)設(shè)計(jì)。中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識號： 文章編號：作者簡介：汪易森Abstract: In this paper, the predictive analysis and observational construction for the large-scale underground powerhouse cavern complex in Tianhuangping pumped storage power station is presented. The predictive analysis was carried ou

3、t in three dimensions by FEM that simulated the actual staged excavation procedures. The analysis provides the sufficient information on the deformation evolution and the potential yielding zones in the cavern rocks. Based on the analysis results and the geological observation as well as the instrum

4、ent measurement made during the construction, the design supporting parameters for the safety of the cavern rocks were adjusted timely. As a result, the the underground powerhouse complex was successfully constructed. Key words: Underground carven complex; Predictive analysis; Observational construc

5、tion; Rock support design.1. 前 言近年來日本地下洞室開挖支護(hù)中普遍采用信息化設(shè)計(jì)施工法1-3，這種方法將施工全過程分為日常管理和階段管理兩大部分，所謂日常管理是指在一個(gè)開挖階段中根據(jù)與施工開挖同步進(jìn)行的觀測資料分析，不斷地和設(shè)計(jì)預(yù)測的圍巖變化基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，決定是否要調(diào)整施工支護(hù)參數(shù)。所謂階段管理是指一個(gè)開挖階段結(jié)束后，將前一階段所得到的實(shí)際圍巖變化值作為初始條件輸入計(jì)算模型進(jìn)行反分析，檢查設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的初始計(jì)算參數(shù)是否正確，如有誤差則修正初始設(shè)計(jì)參數(shù)，并對下一個(gè)開挖階段進(jìn)行計(jì)算，從而預(yù)測下一開挖階段的圍巖變化基準(zhǔn)值，這種兩階段結(jié)合的設(shè)計(jì)施工方法已在不少大型地下工

6、程中得到應(yīng)用。不過，日本的預(yù)測解析（FEM計(jì)算分析）大多對單個(gè)大洞室進(jìn)行，并簡化為二維（平面）問題，很少進(jìn)行完全模擬實(shí)際施工過程的三維計(jì)算。本文介紹天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室群的信息化設(shè)計(jì)施工實(shí)例，其特點(diǎn)是完全模擬實(shí)際施工過程，并進(jìn)行了三維預(yù)測解析。具體為：根據(jù)地下廠房第一層開挖揭示的實(shí)際地質(zhì)情況修正三維彈塑性FEM計(jì)算模型，真實(shí)模擬實(shí)際采用的“平面多工序、立體多層次”的施工作業(yè)順序，預(yù)測洞室群圍巖性狀；根據(jù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)修正圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)在施工開挖時(shí)，對開挖面加強(qiáng)現(xiàn)場同步觀測，及時(shí)分析觀測資料，對觀測分析中發(fā)現(xiàn)的一些重點(diǎn)施工支護(hù)部位適時(shí)加固，確保圍巖的安全穩(wěn)定。這種施工預(yù)測解析與信

7、息化施工管理相結(jié)合的施工方法簡單實(shí)用。由于采用了這種施工方法，天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室群的開挖施工在短短的24個(gè)月內(nèi)得以順利完成，確保了電站1998年提前投產(chǎn)發(fā)電。2. 天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室群概況及地質(zhì)情況天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣，安裝6臺300MW機(jī)組，總?cè)萘?800MW，是華東地區(qū)第一座大型抽水蓄能電站，于1994年正式開工，1998年第一臺機(jī)組開始試運(yùn)行，2000年全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。其地下廠房采用尾部布置方式，由主副廠房、主變洞、尾水事故閘門洞3個(gè)平行排列的主要洞室，以及用于電纜、交通、通風(fēng)、排水的洞室與豎井組成 (圖1)。整個(gè)洞室群位于雄厚的山體中，地下埋深為

8、160m200m。主副廠房長200.7m，寬21.0m22.4m，高47.53m，縱軸線方位N30W，與壓力鋼管進(jìn)廠方向成64交角；主變洞長180.9m，寬18.0m，高27.73m，與廠房凈間距33.5m，與廠房之間用6條母線洞和1條主變運(yùn)輸洞相連；尾水事故閘門洞與廠房凈間距78.4m。圖1天荒坪電站地下廠房洞室群布置圖Fig.1. Underground powerhouse complex of Tianhuangping pumped storage power station主變洞主廠房母線洞尾水閘門洞副廠房尾水遂道高壓引水遂道進(jìn)廠交通洞通風(fēng)洞自流排水洞天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室

9、群施工的關(guān)鍵是主副廠房與主變洞的開挖，根據(jù)施工進(jìn)度的要求，其開挖工期僅有22個(gè)月（1994年3月至1995年12月）。為保證工期，在實(shí)際施工中，對施工方案進(jìn)行了整體優(yōu)化，采用了在單個(gè)大洞中 “平面多工序、立體多層次” ，在洞室群中“立體多層次、多工作面交叉”的施工方案（圖），比如，在廠房一層開挖的同時(shí)進(jìn)行主變洞一層開挖，在開挖主變洞一層的后期，通過先挖導(dǎo)洞的方式隔層開挖主變洞的三層。這種多工序、多層次的開挖方式，以及天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室群縱橫交叉的特點(diǎn)，使得洞室圍巖的應(yīng)力變形情況變得復(fù)雜。還有，在勘測設(shè)計(jì)階段，地下廠房洞室群的地質(zhì)情況不可能完全把握清楚。為此，天荒坪抽水蓄能電站地下廠

10、房洞室群采用了信息化設(shè)計(jì)施工。圖天荒坪電站地下廠房洞室群分期開挖圖Fig. Staged excavation of the underground powerhouse complex.母線洞主變洞主廠房天荒坪抽水蓄能電站地下廠房洞室群區(qū)域主要分布有侏羅系勞村組含礫流紋質(zhì)熔凝灰?guī)r和后期侵入的煌斑巖脈。該地段巖石新鮮,以整體塊狀結(jié)構(gòu)(I類)巖石為主,塊狀結(jié)構(gòu)(類)和層狀結(jié)構(gòu)(類)巖體次之。有1條代號為F121的級結(jié)構(gòu)面（斷層）和f216等12條級結(jié)構(gòu)面。在一定區(qū)域內(nèi)有成組性強(qiáng)的IV級結(jié)構(gòu)面（節(jié)理密集帶）。設(shè)計(jì)選定的廠房縱軸線（N30W）及地下洞室布置已避開了F121和f216斷層，但估計(jì)地下廠

11、房會(huì)有80m左右范圍內(nèi)穿越節(jié)理密集帶。經(jīng)對地質(zhì)資料及原位試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，認(rèn)為主副廠房洞室中的非節(jié)理密集帶地段的圍巖為穩(wěn)定基本穩(wěn)定,節(jié)理密集帶的圍巖為穩(wěn)定基本穩(wěn)定性差。主變洞室和母線洞室圍巖以類巖體為主, 、IV級結(jié)構(gòu)面稍發(fā)育，但無不利結(jié)構(gòu)面組合，局部小范圍的節(jié)理密集帶對頂拱和邊墻穩(wěn)定無大影響, 圍巖為穩(wěn)定和基本穩(wěn)定。實(shí)際開挖后發(fā)現(xiàn),整個(gè)地下洞室范圍內(nèi)僅有數(shù)條級結(jié)構(gòu)面，對地下洞室穩(wěn)定性影響不大。但整個(gè)廠房和主變洞室均處于節(jié)理密集帶范圍內(nèi)。對于頂拱層開挖，產(chǎn)狀為N515E、SE6065的節(jié)理發(fā)育密集，最小間距僅2cm3cm，一般為8cm20cm。節(jié)理面光滑平直，其走向與廠房縱軸線交角較小，在下

12、游巖壁起拱位置(拱肩)附近與開挖面形成小夾角的臨空面，引起巖體松動(dòng)變形，所以頂拱層開挖時(shí)掉塊現(xiàn)象較為嚴(yán)重。對于邊墻開挖，出現(xiàn)產(chǎn)狀為N515E、 SE6070及產(chǎn)狀為N4050W、SE50左右的二組節(jié)理，它們的組合對上游巖壁穩(wěn)定不利。3. 地下廠房洞室群開挖的施工預(yù)測解析根據(jù)施工單位上報(bào)并經(jīng)工程監(jiān)理批準(zhǔn)的施工組織設(shè)計(jì)，在建設(shè)單位支持下，由工程監(jiān)理提出并組織設(shè)計(jì)單位、高等院校和施工單位一起進(jìn)行模擬現(xiàn)場實(shí)際施工現(xiàn)狀的施工預(yù)測解析。本文第一作者時(shí)任設(shè)計(jì)項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人兼工程總監(jiān)理工程師，并擔(dān)任施工預(yù)測解析技術(shù)負(fù)責(zé)人。3.1 三維有限元計(jì)算概況三維有限元計(jì)算的范圍為：x方向自離主廠房上游壁80m的圍巖開始，

13、橫穿主廠房，母線洞與主變洞，至主變洞下游壁54m的圍巖為止，共205m; y方向自離副廠房左端62.5m的圍巖開始，沿著主副廠房的縱軸線，至安裝場右端65m的圍巖為止，共320m; z方向自高程EL.140m的圍巖開始，至高程EL.335m的圍巖為止，共195m。沿主副廠房的縱軸線（y方向）用24個(gè)計(jì)算剖面將整個(gè)計(jì)算范圍分成23個(gè)結(jié)構(gòu)段，如圖所示。洞室圍巖以外的三維有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖所示。計(jì)算采用的彈塑性模型以Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則為屈服函數(shù)，以Drucker-Prager準(zhǔn)則為塑性函數(shù)。三維應(yīng)力狀況下，Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則表示為 (1)式中：I1、J2 分別為應(yīng)力第一、第二

14、不變量，q 為 Lode角，c、 f 為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。Drucker-Prager 塑性函數(shù)表示為 (2)式中.根據(jù)勘測階段的巖石試驗(yàn)結(jié)果，取圍巖的計(jì)算參數(shù)為：容重=26.1kN/m3,彈性模量E=6.8104MPa,泊松比=0.22,內(nèi)摩擦角=50,凝聚力c=0.3MPa,屈服應(yīng)力s=2.0MPa。根據(jù)廠房第一層開挖揭示的實(shí)際地質(zhì)情況，對于節(jié)理密集帶范圍內(nèi)的圍巖，計(jì)算時(shí)其彈性模量值取試驗(yàn)值的一半，即E=3.4104MPa，其它計(jì)算參數(shù)保持不變。根據(jù)實(shí)測資料回歸分析得到，初始地應(yīng)力z與x(單位：MPa)與巖體厚度H(以m計(jì))有如下關(guān)系：z=3.14260.03143H,x=7.14310.00

15、714H。計(jì)算以此確定初始地應(yīng)力場,并近似假定y=x。計(jì)算完全模擬圖所示的實(shí)際洞室開挖施工順序。洞室開挖模擬用以下處理方法實(shí)現(xiàn)：對于不同層的開挖賦于不同的材料號，某一層開挖后，不需改變結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)編號與單元編號，只對開挖部分的材料參數(shù)加以修改，將其彈性模量改為一較小值，使其成為“空單元”。圖 三維有限元計(jì)算剖面與結(jié)構(gòu)分段圖Fig. Calculation sections in the three-dimensional FE analysis主廠房母線洞主變洞圖 洞室圍巖以外的三維有限元計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 3D finite elements excluding the surrounding

16、rock mass3.2 計(jì)算結(jié)果(1)主廠房、主變洞圍巖位移計(jì)算表明，在整個(gè)開挖過程中，主副廠房段拱頂處z向位移都在2mm左右，方向指向洞內(nèi)。其最大值為2.118mm，發(fā)生在稍靠主廠房兩端的10#與16#斷面處，而未發(fā)生在主廠房的正中央部。這是由于主廠房第I層開挖后，洞周釋放荷載引起的主廠房中部的拱頂處z向位移指向洞內(nèi)，而主廠房兩頂端洞壁釋放荷載引起的主廠房中部的拱頂處z向位移指向洞外，兩者疊加的結(jié)果使得其最大值發(fā)生在稍靠主廠房的兩端。這反映了三維有限元計(jì)算的效應(yīng)。圖5為中間結(jié)構(gòu)段13#斷面主廠房與主變洞的拱頂（插圖中A點(diǎn)）z向位移與拱肩（插圖中B、C點(diǎn)）x向位移隨洞室開挖的變化過程，各點(diǎn)位

17、移以沿座標(biāo)正向?yàn)檎膱D中可以看出： 主廠房第期開挖后，盡管進(jìn)行了主廠房、主變洞的各層開挖以及母線洞的開挖，主廠房拱頂A點(diǎn)處的z向位移變化不大。 第期以后的開挖，引起的主廠房上游拱肩B點(diǎn)的x向位移變化較下游拱肩C點(diǎn)的大，主變洞上游拱肩B點(diǎn)的x向位移變化較下游拱肩C點(diǎn)的小，說明主廠房與主變洞之間的巖體有整體沿x正向（廠房下游方向）變位的趨勢。 第IV期開挖，主變洞上游拱肩B點(diǎn)的x向位移基本不變，被認(rèn)為是由于主廠房、主變洞與母線洞同時(shí)開挖的綜合效果。 第V期開挖，主變洞上游拱肩B點(diǎn)的x向位移甚至出現(xiàn)向上游方向的位移，主廠房下游拱肩C點(diǎn)的向上游方向的位移也有所增加，說明主廠房與主變洞之間的巖體整體沿

18、x正向（廠房下游方向）變位的趨勢得到轉(zhuǎn)向。圖5 計(jì)算得到13#斷面主廠房與主變洞的拱頂z向位移與拱肩x向位移的變化過程線Fig.5. Evolution of deformation at the arch top and toes of the main powerhouse and the main transformer halls.（2）洞室開挖引起的圍巖屈服 同廠房拱頂處z向最大位移發(fā)生位置相對應(yīng)，由于廠房兩頂端巖體約束的影響，各個(gè)施工期末圍巖屈服的最大區(qū)域發(fā)生在靠近廠房兩頂端部位，而不是發(fā)生在廠房的中部。進(jìn)一步體現(xiàn)了三維有限元計(jì)算的效應(yīng)。圖6為中間結(jié)構(gòu)段13#斷面各施工期末開挖引起

19、的圍巖屈服范圍發(fā)展情況。從圖中可以看出： 主廠房頂層開挖（第期）與主變洞頂層開挖（第期）后，頂拱表層進(jìn)入屈服，屈服深度為2m3m。以后逐層向下開挖，頂拱的拱肩部位屈服深度增大至6m7m，其余部位屈服深度基本不變。 洞室開挖后，主廠房上游側(cè)高程245.80m至233.00m間的洞壁與主變洞高程254.93m至247.00m間的洞壁的屈服深度較大，大約為6m7m；主廠房下游側(cè)與母線洞的交叉部位的屈服深度也較大，達(dá)6m7m。 第I期 第期 第IV期 第V期 第VI期 第VII期圖6 計(jì)算得到13#斷面洞室圍巖屈服Fig.6. Evolution of yielding zones at sectio

20、n 13.3.3 支護(hù)參數(shù)調(diào)整原設(shè)計(jì)主廠房頂拱的支護(hù)錨桿為：直徑25mm、長度L=510cm、間距120cm。計(jì)算表明，主廠房頂拱處大部分圍巖的屈服深度為2m3m，拱肩處達(dá)到6m7m。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，實(shí)際施工中將錨桿長度縮短為L=460cm，間距保持不變，同時(shí)在廠房拱肩處增加了一排長度L=710cm的長錨桿。頂拱范圍全部掛網(wǎng)噴厚15cm的砼。在廠房上下游邊墻一般地段的錨桿支護(hù)基本維持原設(shè)計(jì)方案，即直徑25mm、長度L=510cm、間距150cm。但在開挖揭露出的節(jié)理密集帶及計(jì)算得出的屈服深度大于3m的范圍內(nèi)，錨桿長度增加為L=710cm，間距為200cm。主變洞內(nèi)的錨桿支護(hù)參數(shù)修正原則與主廠房

21、基本相同。4. 地下廠房洞室群開挖的信息化施工管理天荒坪地下廠房布置三個(gè)觀測斷面（含巖壁吊車梁斷面），分別是廠左042.5（section 1）、廠左0108.5（section 2）和廠左0135.5（section 3），埋設(shè)成活的多點(diǎn)位移計(jì)有20余套、在每支多點(diǎn)位移計(jì)孔口附近各設(shè)置一個(gè)收斂計(jì)測點(diǎn)、此外還布置錨桿應(yīng)力計(jì)20余套；主變洞和母線洞也分別布置二個(gè)觀測斷面，埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)和收斂計(jì)測點(diǎn)。施工期間將主要觀測儀器接入自動(dòng)觀測系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄、定期分析。廠房觀測斷面位置及觀測斷面儀器配置如圖7所示。現(xiàn)場成立地下廠房洞室群開挖施工管理領(lǐng)導(dǎo)小組，由咨詢監(jiān)理總工程師牽頭、有業(yè)主、設(shè)計(jì)、施

22、工和外聘專家參加，定期對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7地下廠房洞室群觀測斷面位置及觀測斷面儀器配置圖Fig.7 Instrumentation arrangement(a)圍巖位移變化過程 (b)圍巖應(yīng)力變化過程圖8 計(jì)算與實(shí)測主廠房下游拱肩處圍巖位移與應(yīng)力變化對比Fig.8 Predicted and measured rock deformation and stress at the downstream toe of powerhouse hall arch roof圖8為計(jì)算與實(shí)測得到的主廠房頂拱下游拱肩處圍巖位移與應(yīng)力變化過程對比圖，兩者基本吻合，說明根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正的錨桿支護(hù)參數(shù)是合理的

23、。開挖結(jié)束后進(jìn)行了洞壁圍巖聲波測試，下游洞壁EL.255.50m高程處測得的波速Vp5100m/s的圍巖松動(dòng)圈深度為60cm70cm4，這一進(jìn)一步說明錨桿支護(hù)參數(shù)修正的合理性。觀測結(jié)果表明洞室全部開挖結(jié)束后圍巖仍繼續(xù)變形，一般半年左右進(jìn)入收斂狀態(tài)，唯剖面1下游拱肩處位移一年后才進(jìn)入收斂狀態(tài)。另外，在施工過程中，根據(jù)計(jì)算預(yù)測與現(xiàn)場觀測結(jié)果還采取了其它一些工程措施：對巖梁層開挖,為減少爆破對巖壁松動(dòng)的影響,采用上、下游邊墻預(yù)留保護(hù)層(兩側(cè)各留4m)、 中部拉槽的開挖方式,同時(shí)要求無論中部開槽或保護(hù)層開挖前均需進(jìn)行預(yù)裂爆破。對廠房III層開挖, 除考慮采用中間拉槽、兩邊預(yù)留保護(hù)層等措施外,重點(diǎn)是根據(jù)

24、現(xiàn)埸爆破實(shí)測K、值控制爆破參數(shù), 從而使巖梁處振速不超過合同文件的規(guī)定值。對廠房IV、V、VI三層的開挖, 由于它們分別和母線道、引水道、尾水洞等洞室相交, 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 故對相交洞室在進(jìn)洞前均先在設(shè)計(jì)開挖線外施工兩排鎖口錨桿, 再用小斷面導(dǎo)洞進(jìn)洞, 待導(dǎo)洞進(jìn)入一定距離后進(jìn)行擴(kuò)挖, 以確保巖體的完整性。上下游邊墻開挖均在設(shè)計(jì)開挖線處進(jìn)行預(yù)裂爆破, 然后再進(jìn)行全斷面深孔梯段爆破。主變和其它洞室開挖也基本上按照以上原則進(jìn)行。洞室之間交叉貫通部位是地下廠房施工的另一個(gè)重點(diǎn)部位，尤其是廠房層開挖施工，在廠房下游側(cè)開挖后必須立即進(jìn)行母線洞開挖，其上部有巖壁梁，下部有尾水洞。為了保證洞臉穩(wěn)定，在實(shí)際施工中，進(jìn)一步進(jìn)行了施工工序的優(yōu)化，具體為先完成母線洞周圍的洞臉錨桿支護(hù)，然后在下部開挖小導(dǎo)洞，小導(dǎo)洞開挖6m后再進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖時(shí)采用水平密孔間孔裝藥爆破，6m段擴(kuò)挖完成后立即進(jìn)行錨桿支護(hù)。在此基礎(chǔ)上再繼續(xù)進(jìn)行全斷面開挖，從而保證了在整個(gè)開挖過程中巖壁的整體穩(wěn)定。通過上述有效措施,施工開挖基本滿足設(shè)計(jì)要求, 根據(jù)地下洞室內(nèi)由333個(gè)測點(diǎn)(多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)、溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、測縫計(jì))組成的觀測系統(tǒng)觀測情況表明,拱頂、邊墻變位均在允許范圍內(nèi),尤其是作了大量加固措施的上游邊墻, 變形量小而以表層變形為主, 說明措施得當(dāng), 效果明顯?？梢哉J(rèn)為地下洞室圍巖和結(jié)構(gòu)均