巴基斯坦某水电站1号施工支洞围岩稳定性分析

李忠爽，苏 星，胡金山，张青宇

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

为响应“一带一路”倡议，充分发挥我国在基建方面的技术优势，提高巴基斯坦人民的生活现状，促进中巴两国间的经济发展，两国积极开展水电水利工程的合作，巴基斯坦某水电工程就是其中的代表性项目。

该水电站项目的重点控制性工程之一为引水系统的建设，由于建设周期短，加之全程使用欧美规范，建设难度大。为了保证引水系统的安全可靠，支护设计方案选择至关重要。合理的支护方案能够加快工程进度、节约工程成本。以引水系统1号施工支洞为例，应用应力释放法进行隧洞开挖的有限元计算，验算支护方案的可行性、合理性，为支洞开挖提供数值计算依据，也为巴基斯坦该区域类似工程项目的围岩稳定计算提供参考。

依托巴基斯坦某水电站进行围岩稳定计算分析，该水电站装机容量为2.1万kW，采用引水式开发，主要水工建筑物有大坝、进水口、连接渠、沉砂池、引水隧洞、压力前池、压力管道、厂房等。引水隧洞布置在左岸，全长3.9 km，穿山而过，有2个施工支洞，即1号施工支洞和2号施工支洞。1号施工支洞长度为156.22 m，隧洞断面为城门洞形，断面尺寸为4.1 m×4.3 m(底宽×高)。

该水电站隧洞区属低地应力区，最大主应力5.4 MPa，中主应力3 MPa，最小主应力1.5 MPa。1号施工支洞主要位于微风化～中风化闪长岩中，最小垂直埋深为10 m，最大垂直埋深为120 m。国外项目隧洞采用Bieniawski的岩体分级方法(RMR法)对隧洞进行围岩分类，推测1号施工支洞围岩主要以Ⅲ类为主，其次为Ⅱ类和Ⅳ类，总体上地质条件较好。1号施工支洞岩土体物理力学参数见表1。

表1 1号施工支洞岩土体物理力学参数

根据国内外隧洞支护设计相关规范以及相似工程的类比[1]，Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类围岩支护间距定为4 m、3 m和2 m。支洞支护设计方案见表2。

表2 1号施工支洞支护设计方案

根据该工程设计准则，锚杆安全系数(与屈服极限相比)为1.75。使用500 MPa的锚杆时，许用轴向应力应小于500/1.75=285.71 N/mm2。喷混层混凝土材料在持久和瞬态情况下的分项系数为1.5，因此在计算中将1.5作为喷射混凝土安全系数。

采用隧道工程中常用的“应力释放法”进行支洞围岩稳定计算分析。隧道围岩沿轴线的变形规律采用Unlu和Gercek(2003)提出的曲线计算公式[2](见公式1～4)，即纵向变形曲线(LDP曲线)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Rp为从隧洞中心到塑性区最外边缘的距离，m；
u0为隧洞径向位移，m；
Rt为隧洞半径，m；
X为支护间距，m；
umax为最大径向位移，m。

利用Phase2软件逐级求解开挖后不同地应力释放率对应的隧道围岩变形值，可得到SDP曲线(应力释放率和变形曲线)。

计算步骤如下:

(1)计算支洞围岩地应力释放率，确定最大塑性区半径以及最大径向位移值，得到LDP曲线和SDP曲线；

(2)根据支护间距，确定此时的围岩应力释放率，并施加相应的支护措施，释放剩余的围岩应力，计算支护结构安全系数并进行比较。

隧洞成洞以及变形受地应力、岩体强度、结构、地质构造以及地下水等多方面影响，1号施工支洞未见明显地质构造，地下水影响微弱，因此影响变形主要因素为岩体结构、强度以及地应力。结构对岩体的影响体现在岩体物理力学参数上，并进行了相应折减。较深埋(120 m)条件相比，浅埋地应力小，支护措施相同时，若深埋计算满足要求，浅埋必然满足。根据施工支洞工程地质条件，分别选取深埋条件下Ⅱ类、Ⅲ类以及Ⅳ类围岩的典型剖面进行计算。Ⅳ类围岩有限元模型见图1。

图1 Ⅳ类围岩有限元模型

LDP曲线和SDP曲线计算结果如图2所示。

图2 LDP曲线和SDP曲线计算结果

各典型剖面计算结果云图如图3所示，根据计算结果分析[3-6]如下:

图3 各典型剖面计算结果云图

(1)Ⅱ类围岩在无支护情况下，最大变形为1 mm，围岩变形小，基本不存在塌方的可能，无需系统支护；
为保证临时施工安全，可根据实际开挖情况适当增加随机锚杆。

(2)Ⅲ类围岩塑性区大部分贯通，存在掉块、局部小塌方的可能。锚杆轴力图中，最大轴向应力为113.629 MPa，小于许用轴向应力285.71 MPa，锚杆运行正常。喷混层各单元点均在安全系数为1.5包络线内，支护措施的选取满足承载要求。

(3)Ⅳ类围岩塑性区已贯通，在无支护情况下，会发生塌方。在锚杆轴力图中，最大轴向应力为242.476 MPa，小于许用轴向应力285.71 MPa，锚杆运行正常。喷混层及挂网钢筋各单元点均在安全系数为1.5包络线内，满足承载要求。

(4)Ⅱ类围岩模型中，最大位移出现在边墙。由分析可知，主要受地应力影响，最大主应力方向垂直于边墙；
从Ⅲ类、Ⅳ类围岩模型位移变化云图可看出，当围岩强度较高时，仍表现为边墙位移最大的变化特征，随着围岩强度进一步降低，锚杆及喷混层发挥作用，限制位移进一步发展，最大位移出现由边墙转为底板。

(5)从锚杆轴向应力图可以看出，靠近临空面的锚杆端部及中部承受更大的轴向应力，锚杆尾部承受应力较小；
起拱线至顶拱处的三根锚杆较边墙受力更大。从经济角度出发，可对锚杆进行优化，降低左右边墙锚杆的标号。

本文应用Phase2软件对1号施工支洞3个典型剖面进行了有限元计算，得出以下结论和建议。

(1)根据计算成果分析，1号施工支洞的开挖支护设计(锚杆及喷混层)均满足围岩稳定要求。根据喷混层的安全系数图，喷混层的设计是合理的；
根据锚杆的轴向应力图，锚杆的设计是可行的，但边墙两侧的锚杆最大轴向应力小于100 MPa，可以进一步优化，节约工程投资。

(2)根据1号施工支洞的变形特性，可进一步分析出，水平地应力大于垂直地应力的城门洞形岩质隧洞，当围岩强度较高时，表现为边墙位移最大的变化特征；
当围岩强度较低时，锚杆及喷混层发挥作用，限制边墙及顶拱位移进一步发展，最大位移的出现由边墙转为底板。