隧洞破碎带围岩失稳破坏模式及控制措施研究

发布时间：2020-02-06 23:15

【摘要】：随着水电工程向西南山区的进一步发展,隧洞工程的地质条件也变得更加复杂。为解决在隧洞开挖过程中遇到节理带、断层等软弱破碎岩带时发生大变形、塌方等围岩失稳破坏等问题,本文以长河坝水电站泄洪洞工程为研究对象,探索围岩支护措施,以确保洞室围岩的稳定及施工安全。通过对现场勘测资料、隧洞开挖施工方案、工程地质条件的分析及有限元计算等,分析围岩破坏的原因和解决方法。首先,根据泄洪洞工程0~30 m段的现场围岩破坏情况及实际地质条件,结合具体的开挖和支护施工措施,对该段围岩的失稳破坏因素和失稳破坏模式进行研究。然后,建立典型的泄洪洞进口30 m剖面开挖有限元模型,在考虑围岩非线性变形的基础上,采用摩尔-库伦本构关系,利用有限元计算软件,对围岩内部的应力和位移进行分析计算。从对围岩失稳破坏影响因素和破坏模式的分析中可以发现,影响因素可以分为3点:1)该段泄洪洞周围岩体内部裂隙节理发育,岩体结构破裂,围岩稳定性差;2)工程区域内地应力较高,岩体内部储存有一定能量,洞室开挖导致地应力的释放,让围岩变得更加破碎;3)支护措施设计不合理,普通锚喷支护无法有效控制围岩变形,导致围岩破坏。洞室围岩自身物理力学性质差是围岩破坏的主导因素,即围岩破坏模式为岩体结构主导型破坏模式。有限元计算结果表明:经原支护处理的隧洞围岩在受结构面切割部位存在较大的变形,隧洞破碎带处经及时加强支护后,围岩变形得到有效控制。针对隧洞破碎带处围岩的潜在失稳问题,综合采用超前支护、开挖后及时进行"喷锚+钢支撑+锚筋"束联合支护,能有效抑制隧洞围岩变形,保证破碎带围岩不会失稳破坏,现场监测数据及实施效果也表明及时加强支护措施对围岩稳定控制的有效性。
【图文】：

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图1长河坝水电站泄洪洞布置示意图Fig．1LayoutofflooddischargetunnelatChanghebahy-dropowerstation1．2工程地质条件长河坝水电站泄洪洞区域为晋宁期—澄江期的侵入岩，其岩性以石英闪长岩、花岗岩为主，花岗岩、闪长岩平均干密度为2．72g/cm3，微新岩体湿抗压强度一般大于60MPa，弹性模量一般大于40GPa，岩体物理力学参数见表2。表2岩体物理力学参数Tab．2Mechanicalparametersofrockmass围岩等级围岩特征密度/(g·cm－3)变形模量/GPa泊松比黏聚力/MPaⅡ微新2．7215～200．191．5～1．8Ⅲ弱卸荷2．718～130．201．0～1．5Ⅳ强卸荷2．732～50．220．3～0．5实测资料表明泄洪洞枢纽区在水平埋深250～360m山体内，最大主应力方向大致为N40°～60°W，倾角6°～68°，最大主应力量级为18～20MPa，属中－高地应力区。工程区域无大的断裂切割，但次级小断层、层间挤压破碎带较发育。其中，泄洪洞进口部位挤压破碎带或小断层随机发育，主要为裂隙密集带Mj5，其围岩主要为Ⅲ－Ⅱ类，局部为Ⅳ类;出口段断层发育，包括断层F0、F4、F6、F10等(图2)，虽其与洞轴线大角度相交，但其裂隙组合对洞室稳定不利，岩体总体呈碎裂结构，围岩以Ⅳ－Ⅴ类为主。断层带分布长度为60～300m不等，宽度一般为0．4～1．2m，影响带宽度为20～30m。图2泄洪洞工程区纵剖面图Fig．2Verticalsectiondrawingofflooddischargetunnel长河坝水电站泄洪洞埋深段地应力较高，易产生岩爆，同时受到F0、F4、F6、F10等断层及Mj5等裂隙组合的影响，在围岩破碎带的开挖施工中，若支护方式和时机不合理，围岩极易产生较大变形甚至坍塌，影响隧洞施工的安全。1．3隧洞围岩破坏情

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为N40°～60°W，倾角6°～68°，最大主应力量级为18～20MPa，属中－高地应力区。工程区域无大的断裂切割，但次级小断层、层间挤压破碎带较发育。其中，泄洪洞进口部位挤压破碎带或小断层随机发育，主要为裂隙密集带Mj5，其围岩主要为Ⅲ－Ⅱ类，局部为Ⅳ类;出口段断层发育，包括断层F0、F4、F6、F10等(图2)，虽其与洞轴线大角度相交，但其裂隙组合对洞室稳定不利，岩体总体呈碎裂结构，围岩以Ⅳ－Ⅴ类为主。断层带分布长度为60～300m不等，宽度一般为0．4～1．2m，影响带宽度为20～30m。图2泄洪洞工程区纵剖面图Fig．2Verticalsectiondrawingofflooddischargetunnel长河坝水电站泄洪洞埋深段地应力较高，易产生岩爆，同时受到F0、F4、F6、F10等断层及Mj5等裂隙组合的影响，在围岩破碎带的开挖施工中，若支护方式和时机不合理，围岩极易产生较大变形甚至坍塌，影响隧洞施工的安全。1．3隧洞围岩破坏情况1#泄洪洞0～30m段的岩体处于Mj5裂隙发育密集带及影响带，岩体内结构面较发育，围岩受切割较严重，岩体碎裂，易发生塌方，而原有支护仅为常规喷锚网支护，未能对该段围岩体进行有效加固。开挖后不久，隧洞周围岩体向着临空面变形突出，泄洪洞的原有支护结构出现破坏，顶拱的碎裂围岩体在重力及重分布应力的作用下出现变形破坏，致使拱顶的混凝土喷层出现开裂、剥落(图3(a))，钢筋网出现扭曲变形，网内包裹着碎裂、松散岩体(图3(b))，预应力锚杆也出现一定程度的变形，，对洞室的进一步开挖产生影响。泄洪洞洞内破坏情况如图3所示。图3泄洪洞洞内围岩及支护措施实际破坏情况Fig．3Failuresituationofsurroundingrockmassandsupportingstructureintunnels2012年底，

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