大型洞室群圍巖破壞模式分類方法研究

大型洞室群圍巖破壞模式分類方法研究

1地下工程圍巖破壞模式分類由于復(fù)雜的地質(zhì)條件和洞室結(jié)構(gòu)特征，大型地下洞室群在開挖過程中經(jīng)常會造成各種巖石局部破壞。例如，水布妥、峽谷、二灘、拉西瓦、西洛渡、大崗山和錦屏一期等大型水電站發(fā)生巖爆、大體積坍塌、沉降、嚴(yán)重斷裂、變形和松動圈深度過大、軟層變形或錨桿超載過大和破壞等圍巖失穩(wěn)定，嚴(yán)重造成人員傷亡、設(shè)備破壞和施工延誤等結(jié)果。如果在開挖前能對可能的局部失穩(wěn)(破壞)模式進行預(yù)測,在施工過程中能對出現(xiàn)的局部失穩(wěn)(破壞)模式進行識別,那么就能夠有針對性地進行開挖和支護調(diào)控,避免或控制圍巖的局部破壞。因此,大型洞室群圍巖破壞模式及其調(diào)控技術(shù)的研究具有十分重要的意義和應(yīng)用價值。地下工程圍巖的破壞受巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、地應(yīng)力、洞群結(jié)構(gòu)及開挖等因素的影響,表現(xiàn)為多種破壞模式。目前,國內(nèi)外關(guān)于地下工程圍巖破壞模式分類的研究主要針對隧道工程和單個地下洞室。例如,E.Hoek和E.T.Brown將地下工程圍巖破壞模式總結(jié)為塊體失穩(wěn)、破裂、斷層滑動、彎曲破壞等類型。C.D.Martin等根據(jù)地應(yīng)力水平、巖體強度和結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度將脆性巖體地下工程圍巖的力學(xué)響應(yīng)和潛在破壞模式劃分為9種類型。于學(xué)馥等研究了巖體的破壞模式及其分類和控制方法。大型地下洞室群存在一些自身的特點,如洞室尺寸大,空間效應(yīng)突出;洞群結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在相互影響;開挖順序和分層高度對圍巖穩(wěn)定性影響大;工程地質(zhì)條件復(fù)雜等,導(dǎo)致了大型洞室群圍巖的變形破壞模式更加復(fù)雜,有別于單一隧道和洞室。目前,尚缺乏大型洞室群系統(tǒng)的圍巖破壞模式分類及其相應(yīng)的調(diào)控方法。不同的破壞模式往往有著不同的破壞發(fā)生機制,控制圍巖破壞的措施也往往不同。由于地下洞室群的復(fù)雜性,現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范也沒有給出明確的圍巖穩(wěn)定性控制方法,僅說明了基本的分析和設(shè)計原則。這樣,洞室群施工期的動態(tài)設(shè)計就主要依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗和水平,如果對圍巖失穩(wěn)破壞模式和機制把握不準(zhǔn)確,就很難做出既安全又經(jīng)濟的設(shè)計方案,可能帶來安全隱患或者造成資源浪費。因此,作為大型洞室群智能動態(tài)設(shè)計方法的一部分,本文針對大型地下洞室群圍巖的局部穩(wěn)定性實時分析與控制的難題,建立了一套依據(jù)控制因素、破壞機制、發(fā)生條件的3個層次的18種典型圍巖破壞模式分類體系,以及對應(yīng)的工程穩(wěn)定性分析方法和針對性工程防治措施。進一步地,根據(jù)大型洞室群分步開挖過程中不斷更新的工程地質(zhì)條件和圍巖性狀,提出了圍巖破壞模式的動態(tài)識別、復(fù)核與調(diào)控方法。該大型洞室圍巖破壞模式識別與工程調(diào)控技術(shù)在拉西瓦、錦屏II級水電站等地下廠房洞室群的設(shè)計與施工中得到了成功的應(yīng)用。研究成果表明,該方法可以直接指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)計、地質(zhì)和施工人員科學(xué)及時地進行洞室開挖和支護優(yōu)化,為地下洞室群施工期動態(tài)設(shè)計提供了一條新的途徑。2分析圍巖異常的措施圍巖破壞模式研究的核心內(nèi)容是分類,只有全面、系統(tǒng)、科學(xué)的分類才能準(zhǔn)確把握圍巖的破壞特征和發(fā)生機制,從而有針對性地進行穩(wěn)定性分析并采取適宜的工程調(diào)控措施。2.1破壞模式分類結(jié)果要結(jié)合受控制環(huán)境特征和控制措施(1)影響圍巖破壞模式的因素很多,但是最重要的因素是工程地質(zhì)條件,包括巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征和地應(yīng)力,尤其是巖體的結(jié)構(gòu)特征(結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的性狀及其列組合排列形式)和受力(主要指重分布應(yīng)力)特征。因此,在破壞模式分類時應(yīng)著重考慮這一點。(2)分類結(jié)果應(yīng)簡潔明了,不存在交叉重疊。為此需要進行若干層次的分類,依據(jù)控制因素或最主要的特征確定破壞模式的主類,根據(jù)具體的表現(xiàn)形式確定破壞模式的亞類,再根據(jù)具體的發(fā)生條件確定破壞模式的最終命名。(3)圍巖破壞模式分類的最終目的是為工程巖體穩(wěn)定性分析和安全控制服務(wù)。因而,需要從發(fā)生條件和機制入手,針對性地給出適宜的穩(wěn)定性分析方法和工程控制措施。2.2地下開發(fā)活動破壞模式分類由于洞室尺寸大和洞群結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征,大型洞室群有一些區(qū)別于一般地下工程的特殊破壞模式。例如,大型洞室群高邊墻形成后,強烈的卸荷作用造成圍巖拉裂及交叉洞室劈裂和環(huán)向開裂等,而凸出臺階(如機坑隔墩等)和洞室交叉口等部位多面臨空、多向卸荷,復(fù)雜的反復(fù)加卸載應(yīng)力路徑容易造成巖體的開裂或塌方等。根據(jù)上述圍巖破壞模式分類原則,考慮大型地下洞室群的特殊性,吸收現(xiàn)有文獻中關(guān)于洞室群圍巖失穩(wěn)破壞問題的研究和工程應(yīng)用成果,對大型洞室群圍巖的破壞模式從3個層次上進行分類,歸納總結(jié)出18種典型破壞模式(見圖1)。第一個層次的分類依據(jù)為“控制因素”,是指巖體結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)力水平特征,按照對圍巖破壞影響大小,分為“應(yīng)力控制型破壞”、“巖體結(jié)構(gòu)控制型破壞”和“應(yīng)力–巖體結(jié)構(gòu)控制型破壞”3種類型。其中,“應(yīng)力控制型破壞”表示控制圍巖破壞的主要因素是高應(yīng)力水平,而“巖體結(jié)構(gòu)控制型破壞”是指導(dǎo)致圍巖破壞的決定性因素是“巖體結(jié)構(gòu)特征”。也就是說,在高應(yīng)力環(huán)境下堅硬完整圍巖的破壞(剪切或拉伸破裂)主要受控于應(yīng)力水平,而在結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育的情況下(如碎裂結(jié)構(gòu)巖體),圍巖的破壞則主要受巖體結(jié)構(gòu)影響,應(yīng)力水平高低及分布并不起明顯作用。至于“應(yīng)力–巖體結(jié)構(gòu)控制型破壞”,則表示圍巖破壞同時受到不利的應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)影響,兩者對圍巖破壞的影響程度都很重要,缺一不可。第二個層次的分類依據(jù)是“破壞機制”,即在特定的巖體結(jié)構(gòu)特征和受力作用下,圍巖破壞的發(fā)生過程和機制,分類結(jié)果是對各種具體破壞形態(tài)的歸類總結(jié),是地下廠房洞群出現(xiàn)的一般性破壞模式,共8種類型:巖爆、劈裂剝落、卸荷開裂、塌方、塊體失穩(wěn)、外鼓、結(jié)構(gòu)面滑移和結(jié)構(gòu)面張開。第三個層次的分類依據(jù)是“發(fā)生條件”,即除了考慮巖體結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)力水平特征,還要考慮兩者的組合關(guān)系,并結(jié)合特定的巖性特征、工程部位、洞群空間關(guān)系和開挖支護過程等具體條件對圍巖破壞的各種具體的、典型的表現(xiàn)形式進行進一步細(xì)分。根據(jù)“發(fā)生條件”一共分類了18種破壞模式,它們都是大型地下廠房洞室群比較常見的、一般對整體或局部穩(wěn)定性影響較大的破壞形式。上述破壞模式分類方法的主要出發(fā)點,是有利于尋找合適的分析方法和針對性的開挖與支護策略(措施優(yōu)化),避免圍巖破壞的發(fā)生。例如,若是應(yīng)力控制型破壞,則需要首先控制應(yīng)力水平來減少破壞,如通過尋找合理的開挖方案(開挖順序、臺階高度等)盡可能減少開挖引起的圍巖應(yīng)力與能量的集中水平和釋放速率,采用應(yīng)力釋放孔等措施降低應(yīng)力水平,從而降低圍巖破壞的風(fēng)險。其分析評價指標(biāo)應(yīng)是從能量角度進行。若是“巖體結(jié)構(gòu)控制型破壞”,則需要首先尋找控制巖體結(jié)構(gòu)的進一步弱化來減少圍巖的破壞,如尋找合適的支護措施、封閉圍巖等,有效控制巖體結(jié)構(gòu)的破壞。其分析方法應(yīng)是從非連續(xù)變形、離散介質(zhì)、塊體理論等方法進行。這里并不是說明“控制因素”以外的因素不重要,只是其作用小一些。對于一些破壞,如塌方,一般都發(fā)生在特定的巖體結(jié)構(gòu)條件下(如碎裂結(jié)構(gòu)、薄層結(jié)構(gòu)等),但是有時應(yīng)力的作用也很重要。例如,在高應(yīng)力條件下,洞室開挖后巖體首先在重分布應(yīng)力作用下沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移或拉伸破壞,甚至剪斷巖橋或?qū)⑼暾麕r體劈裂,巖體裂隙不斷擴展、連通,逐漸演化成較大范圍的垮塌,最終表現(xiàn)形態(tài)為塌方。但是,不管怎樣,都是巖體結(jié)構(gòu)為主的,在應(yīng)力的誘導(dǎo)下發(fā)生破壞。為了使分類結(jié)果簡明,普適性更強并便于分析,本文所闡述和研究的“塌方”主要指大部分地下洞室群中出現(xiàn)的“巖體結(jié)構(gòu)控制型塌方”,其最重要的控制因素為“巖體結(jié)構(gòu)”,即結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的性狀及其組合排列特征。表1進一步給出不同破壞模式的發(fā)生條件、破壞機制、常見發(fā)生部位、穩(wěn)定性分析方法和開挖支護策略,并配以破壞模式示意圖和典型照片,便于現(xiàn)場設(shè)計、地質(zhì)和施工人員準(zhǔn)確把握、識別甚至預(yù)測圍巖破壞情況并采取合理的分析方法和開挖支護手段進行防控,使分類體系具有更強的工程實用性。3施工前的地質(zhì)環(huán)境條件圍巖的合理開挖、支護設(shè)計與破壞模式關(guān)系密切,不同的破壞模式往往需要不同的設(shè)計方案,但是實際的破壞模式受控于地質(zhì)條件、地應(yīng)力特征、開挖支護施工過程、環(huán)境條件等多種因素。在施工前可以根據(jù)地質(zhì)勘察、探洞、試驗洞和室內(nèi)試驗等方面的資料把握基本的工程地質(zhì)條件和巖體力學(xué)特性,預(yù)測可能發(fā)生的破壞模式并進行“初步設(shè)計”。在施工過程中,需要根據(jù)所揭露的實際地質(zhì)條件和圍巖的實際穩(wěn)定性狀況,進行圍巖破壞模式的復(fù)核、動態(tài)識別和必要的修正,再進一步進行相應(yīng)的實時分析和調(diào)控。3.1圍巖破壞模式在建立了破壞模式分類體系后,為了對洞室圍巖多種可能破壞模式進行及時識別和安全控制,建立了圍巖破壞模式的動態(tài)識別與實時調(diào)控流程(見圖2),具體步驟如下:(1)圍巖潛在破壞模式預(yù)測:在大型洞室群開挖前,根據(jù)已掌握的工程區(qū)地質(zhì)條件、巖體初始地應(yīng)力特點、工程自身結(jié)構(gòu)特征和數(shù)值計算結(jié)果給出洞群開挖后的圍巖重分布應(yīng)力場特點,采用前述破壞模式分類體系對目標(biāo)洞室群不同部位的圍巖潛在破壞模式進行預(yù)測分析。(2)圍巖破壞模式實時識別:在大型洞室前期開挖過程中,根據(jù)各類工程信息(工程地質(zhì)條件、圍巖局部破壞特征、監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化特征和開挖支護施工信息等、巖體實際性狀),結(jié)合洞室群圍巖破壞模式分類方法,進行圍巖破壞模式識別。(3)圍巖局部破壞機制分析:在分析工程地質(zhì)條件和監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用合適的穩(wěn)定性分析手段研判圍巖的破壞機制和發(fā)展趨勢,分析圍巖破壞發(fā)生的內(nèi)在機制。目前,應(yīng)用較多的穩(wěn)定性方法有各類數(shù)值仿真計算方法(有限元、離散元等)、人工智能識別方法、極限平衡分析方法、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法和試驗方法等(包括室內(nèi)巖石力學(xué)試驗、原位試驗和模型試驗等),詳見表1。(4)提出工程調(diào)控措施:根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果,對開挖方案、支護類型和參數(shù)等各方面進行設(shè)計優(yōu)化。一般情況可以通過方案對比的方法對原設(shè)計方案進行優(yōu)化調(diào)整,重要的情況則需要綜合智能優(yōu)化算法和數(shù)值仿真計算等方法對開挖支護設(shè)計參數(shù)、費用等進行全局優(yōu)化。(5)圍巖破壞模式與局部穩(wěn)定性復(fù)核:采取工程調(diào)控措施后,根據(jù)最新揭露的工程地質(zhì)條件和巖體性狀再次進行圍巖破壞模式核查,并配以現(xiàn)場巡視和監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的分析,綜合判定采取工程措施后圍巖的穩(wěn)定性,如果不穩(wěn)定則回到步驟(4),進一步采取調(diào)控措施,如果穩(wěn)定則進入步驟(6)。(6)下一期開挖圍巖破壞模式預(yù)測與支護參數(shù)優(yōu)化:主要依據(jù)最新工程地質(zhì)條件和數(shù)值計算結(jié)果,結(jié)合破壞模式分類體系,對后續(xù)開挖過程中洞室群不同部位圍巖的可能破壞模式進行預(yù)測,并針對可能發(fā)生局部破壞的關(guān)鍵部位進行支護參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整,預(yù)防或降低后續(xù)可能存在的圍巖破壞發(fā)生。3.2控流程特點方面表2為大型洞室群局部不穩(wěn)定性的設(shè)計方法對比。首先,本文方法屬于基于圍巖破壞本質(zhì)(破壞機制)的設(shè)計思想,根據(jù)圍巖破壞模式采取適宜的分析和控制方法,針對性很強;其次,就調(diào)控流程的特點看,本文方法有清楚的實時、閉環(huán)、動態(tài)反饋調(diào)控特征,不僅進行穩(wěn)定性分析和控制,還進行穩(wěn)定性的復(fù)核和跟蹤,而且不是被動的治理,而是防治結(jié)合;最后,就設(shè)計參數(shù)特點看,本文方法的設(shè)計對象包括開挖、支護等各個方面,手段多樣化,同時對設(shè)計參數(shù)進行分區(qū),做到設(shè)計結(jié)果既安全又經(jīng)濟。需要說明的是,受現(xiàn)場各種主、客觀條件以及科研工作性質(zhì)的制約,反饋分析和設(shè)計優(yōu)化成果往往不能及時轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)。因此,上述實時調(diào)控技術(shù)的實施,需要現(xiàn)場管理、設(shè)計、施工和監(jiān)測單位密切配合并建立現(xiàn)場快速反饋工作機制才能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。4現(xiàn)場實測結(jié)果和實時調(diào)控案例的總結(jié)錦屏二級水電站地下廠房因其特殊的工程地質(zhì)條件和工程布置,圍巖的各類破壞現(xiàn)象十分典型而多樣(具體工程簡介參見馮夏庭等),本文提出的大型地下洞室群圍巖破壞模式分類及基于破壞模式的局部不穩(wěn)定性實時調(diào)控技術(shù)在該工程中得到了充分的應(yīng)用和驗證。在錦屏二級水電站地下廠房洞室群的整個施工期,針對各類局部破壞問題一共提交了約50份現(xiàn)場分析建議報告,其中既包括開挖前的破壞模式預(yù)測和預(yù)防,也包括破壞后的分析和治理。表3給出了施工期出現(xiàn)的一部分典型的圍巖破壞問題,有的是開挖前進行的計算和預(yù)測分析,預(yù)計了可能的破壞模式并給出預(yù)防建議,但是由于各種原因沒有予以落實,最終發(fā)生了和預(yù)測結(jié)果完全相同的圍巖破壞模式,但是經(jīng)過事后工程調(diào)控也得到了較好的解決;有的是由于工程地質(zhì)信息不足,在開挖前沒有預(yù)計到,但是開挖后及時進行了破壞模式識別、破壞機制和穩(wěn)定性分析,并提出了相應(yīng)的工程調(diào)控措施,最終都得到了較好的控制。作為補充,江權(quán)等還介紹了基于變形管理等級的動態(tài)調(diào)控方法。為了實例闡述破壞模式識別和調(diào)控的全過程,下面給出2個錦屏二級水電站大型地下洞室群施工期圍巖局部不穩(wěn)定性的實時調(diào)控案例:第一個案例是圍巖局部失穩(wěn)發(fā)生后,根據(jù)本文方法進行了正確的破壞模式識別、分析和成功的調(diào)控;第二個案例是失穩(wěn)發(fā)生前,根據(jù)本文方法對下期開挖圍巖局部破壞模式進行了成功預(yù)測,但調(diào)控措施沒有得到落實而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)發(fā)生,實際破壞模式與預(yù)測結(jié)果完全一致。4.1巖體結(jié)構(gòu)面為復(fù)合結(jié)構(gòu)的部位在主變室該高程邊墻還未出露出來,結(jié)合上部開挖揭示該部位巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育較大,且此前的數(shù)值計算表明該部位存在較明顯的應(yīng)力松弛,考慮到該部位是與母線洞交岔口部位,故初步判斷該部位具有發(fā)生巖體結(jié)構(gòu)控制型塌方的可能。(2)圍巖完整性和圍巖安全隱患主變室上游側(cè)電纜廊道開挖后,整個邊墻成型較差,2009年2月17日3#母線洞與主變室交叉口左側(cè)發(fā)生了約12m3的圍巖垮落,錨桿被拔出(見圖3)。根據(jù)開挖后現(xiàn)場地質(zhì)素描,該區(qū)域圍巖完整性較差,層面密集發(fā)育,并出露f16,f21等斷層和Pz7,Pz16~Pz18破碎帶(見圖4),巖體塌方主要受Pz17破碎帶和密集發(fā)育的層面控制。由于塌方發(fā)生于多面臨空的洞室交叉部位,多向開挖卸荷造成圍巖缺乏約束,結(jié)構(gòu)面松弛張開并在自重作用下發(fā)生垮落。因此,綜合地質(zhì)條件和圍巖受力特征,根據(jù)洞室群破壞模式分類研究成果(見表1),本次圍巖破壞模式識別結(jié)果為結(jié)構(gòu)控制型的“多面臨空部位塌方”(見圖5)。(3)第一、二、三主應(yīng)力為了分析開挖卸荷造成的應(yīng)力重分布和圍巖穩(wěn)定性,提出下式所示的“應(yīng)力松弛系數(shù)”:式中:上標(biāo)“I”表示初始應(yīng)力,“S”表示重分布應(yīng)力,σ1,σ2,σ3分別表示第一、二、三主應(yīng)力,應(yīng)力符號遵循工程力學(xué)約定,即拉為正,壓為負(fù)。用第一應(yīng)力不變量I作為衡量應(yīng)力松弛區(qū)巖體穩(wěn)定性的指標(biāo),體現(xiàn)了三向應(yīng)力下由于開挖卸荷造成的各向應(yīng)力值相對初始應(yīng)力值的變化,其絕對值越小表明應(yīng)力松弛程度越高,失穩(wěn)風(fēng)險越大,如果是正值則表明出現(xiàn)了拉應(yīng)力。根據(jù)三維數(shù)值計算,電纜廊道開挖后,主變室邊墻與3#母線洞交叉口圍巖應(yīng)力松弛明顯,大部分處于拉應(yīng)力區(qū),失穩(wěn)風(fēng)險較大(見圖6)。(4)預(yù)應(yīng)力錨索及支護針對本次垮塌,建議對主變室上游邊墻母線洞高程巖體的系統(tǒng)支護進行加強,以預(yù)應(yīng)力支護為主改善巖體的完整性和不利的應(yīng)力松弛特征,建議增加2排系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索;對于塌方部位,使用模筑混凝土修補并增加預(yù)應(yīng)力錨桿支護。該建議得到設(shè)計單位的采納,最終分別在高程1334.5和1331.5m處增加2排預(yù)應(yīng)力錨索,及時對塌方部位進行混凝土修補并施加8m長漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿加強支護(見圖7)。(5)各破壞模式由于采取了及時的工程控制措施,現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)該部位巖體性狀未發(fā)生改變,其破壞模式未改變。圖8為按照設(shè)計通知對3#母線洞邊墻塌方部位進行混凝土修補和加強支護后的面貌,至廠區(qū)樞紐全部開挖完成該部位未再發(fā)生任何圍巖和支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象,驗證了工程調(diào)控的正確性和可靠性。4.2為工廠主機段體裂縫的預(yù)測和工程調(diào)整(1)隔墩巖體應(yīng)力松弛在廠房第VI層開挖完成后,根據(jù)三維數(shù)值計算結(jié)果,下部水輪機層開挖過程中,機坑隔墩巖體上部和左右兩側(cè)開挖卸荷造成嚴(yán)重的應(yīng)力松弛,出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力(見圖9)。因此,預(yù)測隔墩巖體可能出現(xiàn)卸荷開裂破壞,主要控制因素是卸荷回彈和局部拉應(yīng)力作用,對照表1可知具體表現(xiàn)形式為發(fā)生于凸出臺階的“拉裂縫”,而且可能同時在水平和豎直2個方向產(chǎn)生拉裂縫。由于與廠房軸線平行的陡傾角層面的存在,圍巖開裂可能進一步演化為垮塌。破壞模式預(yù)測結(jié)果如圖10所示。(2)錨桿支護及支護基于上述圍巖穩(wěn)定性分析和破壞模式預(yù)測結(jié)果,認(rèn)為有必要對隔墩巖體進行加強支護,將原設(shè)計方案中的普通砂漿錨桿全部改為預(yù)應(yīng)力錨桿,并在開挖后及時支護。但是,由于沒有引起足夠重視,該建議沒有得到落實,在隔墩開挖出來后普遍出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的朝向臨空方向的開裂,尤其是1#~4#機坑周邊開裂嚴(yán)重,而2#和3#機坑邊墻則同時出現(xiàn)水平和豎直方向的拉裂縫并造成垮塌(見圖