超前預(yù)固結(jié)灌漿調(diào)壓井施工期圍巖穩(wěn)定的影響研究

王晨輝

（新疆建源工程有限公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

某水電站為引水式電站，其調(diào)壓井為開敞圓筒阻抗式，開挖直徑31 m，襯砌內(nèi)徑27 m，井筒總高度為108.2 m，底板高程為1 211.0 m，井筒頂高程為1 319.2 m，地面高程約為1 325.0 m。

1.2 模型建立

1.2.1 邊界條件

結(jié)合彈性力學(xué)與巖體力學(xué)，對于圓洞，可取洞徑的3～5 倍為計算范圍，根據(jù)所處地形地質(zhì)資料以及調(diào)壓井布置、設(shè)計情況，模型的外周邊界以調(diào)壓井底部中心為原點，向x、y正負(fù)方向各延伸120 m，模擬的最大深度為350 m。其高程范圍為1 080.0～1 430.0 m，即底邊界到井底的垂直距離為131 m，簡易模擬地形與巖層，認(rèn)為調(diào)壓井1 260.0 m高程以上為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，1 260.0 m高程下為Ⅲ類圍巖，未考慮斷層與裂隙的對圍巖穩(wěn)定的影響[1]，采用理想彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系及D-P 屈服準(zhǔn)則建立三維有限元模型（見圖1）。

圖1 有限元模型

1.2.2 計算參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)勘察及設(shè)計成果，按國內(nèi)水利水電工程圍巖分類方法，并結(jié)合混凝土材料力學(xué)性質(zhì)，確定各類巖體和混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)建議值（見表1）。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

1.2.3 計算方案

對Ⅳ～Ⅴ類圍巖超前預(yù)固結(jié)灌漿后開挖成井，不采取任何支護(hù)措施。固結(jié)灌漿影響范圍為開挖邊線外7 m。

2 計算結(jié)果

2.1 預(yù)處理后圍巖位移特性

井壁Ⅳ～Ⅴ類圍巖未經(jīng)固結(jié)灌漿處理，采取20 cm鋼纖維混凝土噴層支護(hù)加2.5 m厚混凝土二次襯砌，井壁附近圍巖穩(wěn)定性仍很差，徑向位移最大值為304 mm（見圖2），最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.024，故采取超前固結(jié)灌漿措施，處理后，Ⅳ～Ⅴ類圍巖彈性模量增大到2.94 GPa，相應(yīng)的黏聚力，摩擦角都有所提高。固結(jié)灌漿影響范圍為開挖邊線外7 m。

圖2 支護(hù)后井壁附近圍巖的徑向位移、塑性應(yīng)變云圖

（1）預(yù)處理后圍巖位移特性所取代表斷面東北-西南走向的斷面（即沿山脊線走向的斷面）徑向與豎向位移等值線圖見圖3。

圖3 無支護(hù)情況下代表斷面徑向位移等值線圖

由天然應(yīng)力引起的位移在洞室開挖前已經(jīng)完成，故開挖后圍巖位移主要是重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起的。從整體分析，沿東北-西南走向，研究范圍內(nèi)圍巖的徑向位移向井內(nèi)收斂，沿井壁徑向向外呈現(xiàn)遞減趨勢，在調(diào)壓井底部部分位移向井外。其中，徑向位移較大值出現(xiàn)在井筒附近及開挖平臺上部山體表面，與無任何支護(hù)措施相比，最大位移值向下轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在1 260.0 m 高程以上10～25 m范圍內(nèi)，最大值為25.8 mm，在圍巖位移允許范圍內(nèi)。大部分巖體發(fā)生向下的豎向位移，在調(diào)壓井井口處出現(xiàn)最大值，為33.8 mm。調(diào)壓井底部因開挖掌子面的存在，圍巖向上隆起，產(chǎn)生向上的較小鉛垂位移。

（2）施工完成后，典型高程井壁附近圍巖徑向位移特征圖見圖4。由圖4 可知，調(diào)壓井開挖使圍巖產(chǎn)生一定的變形。在只考慮自重初始應(yīng)力場的情況下，水平徑向位移最大值出現(xiàn)在井壁處圍巖。由于地形不對稱，調(diào)壓井附近，東北側(cè)與西南側(cè)圍巖位移向井內(nèi)收斂，呈現(xiàn)內(nèi)陷現(xiàn)象，東南側(cè)和西北側(cè)從上部向井外位移過渡到井內(nèi)位移。其中，圍巖位移最大為東北向，其次為東南方向和西北向，西南側(cè)位移最小。圍巖的變形也反映了調(diào)壓井圓形斷面開挖整體拱效應(yīng)。東北向圍巖位移之所以較大且向井內(nèi)位移，在于山體地形較高，應(yīng)力較大，臨空面形成時，作用在其上的荷載也較大，產(chǎn)生的位移量相應(yīng)變大。在山體單薄地表處、井口處及不同圍巖介質(zhì)交界面附近范圍出現(xiàn)較大變形區(qū)，井內(nèi)位移主要沿著山脊線的方向，井外位移基本垂直于山脊線方向。調(diào)壓井徑向井內(nèi)位移位移最大值出現(xiàn)在1 260.0 m高程以上斷面的井壁處，井外位移最大值出現(xiàn)在井口附近處。

圖4 典型高程斷面徑向位移等值線圖

（1）1 319.2 m 高程以上圍巖較差，山體相對單薄，產(chǎn)生的位移相應(yīng)也較大。故上部山體開挖形成調(diào)壓井井口平臺時，應(yīng)對開挖面進(jìn)行處理。

（2）1 260.0 m高程處圍巖徑向位移向自由面方向發(fā)展，因隨著深度的增大，地形影響逐漸削弱，圍巖變形主要受開挖的影響。

（3）1 211.0 m 高程位移很小，因該高程圍巖巖性較好，深度較大，受上部開挖影響較小。

同一高程處調(diào)壓井井壁附近圍巖各向的位移隨著開挖深度的增大而變大，表明下層開挖引起上部圍巖繼續(xù)變形。但開挖影響范圍有限，1 319.0 m高程圍巖位移在前幾步開挖位移變化很大，增幅隨著開挖的進(jìn)行，逐漸減小，最終位移趨于穩(wěn)定。1 255.0 m 高程圍巖位移在前幾級開挖產(chǎn)生位移很小，當(dāng)在自身高程開挖步時，位移增幅最大。此外，下部圍巖特性較優(yōu)，位移增幅受開挖影響低于上部圍巖受影響程度。圍巖固結(jié)灌漿處理后，整體位移值變小，與未灌漿處理圍巖開挖完成后產(chǎn)生位移相比，圍巖變形大大減小，處于圍巖穩(wěn)定要求所允許的范圍內(nèi)。

綜上所述，井壁處圍巖徑向與豎向位移最顯著，整體圍巖位移自上而下呈遞減趨勢。隨著開挖的進(jìn)行，圍巖產(chǎn)生的位移逐漸增大，但是圍巖位移的增幅在減小。最終，圍巖位移值不是很大，不會發(fā)生水平向位移破壞。固結(jié)灌漿對1 260.0 m 高程以上井壁圍巖變形改善作用顯著，1 260.0 m高程以下圍巖雖未進(jìn)行灌漿處理，但因上部圍巖的改善，受影響減小，產(chǎn)生位移相應(yīng)變小。可見對于地質(zhì)條件復(fù)雜、規(guī)模較大的調(diào)壓井工程，施工過程中單純的支護(hù)不足以維持圍巖的穩(wěn)定，需采用灌漿手段控制圍巖的變形量。

2.2 圍巖應(yīng)力特征

一旦開挖，形成臨空面后，井壁初始應(yīng)力釋放，造成圍巖應(yīng)力重分布，產(chǎn)生二次應(yīng)力，井周圍巖多次應(yīng)力場具有以下特性：開挖結(jié)束后，1 319.2 m 高程以上圍巖主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主；1 260.0 m高程以上調(diào)壓井開挖影響范圍大于井周部分圍巖厚度，其應(yīng)力等值線不僅受開挖影響，還因圍巖厚度不等，出現(xiàn)應(yīng)力等值線不對稱分布現(xiàn)象，另外在山體表面、井口處、圍巖交界面處，井底出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值約0.55 MPa；1 260.0 m 高程以下圍巖較好，應(yīng)力等值線較簡單，主要受開挖影響；高程1 211.0 m 調(diào)壓井底部因開挖面存在，出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力值不是很大。

應(yīng)力計算可知，井壁附近圍巖第一主應(yīng)力在井口處出現(xiàn)拉應(yīng)力，在井周一定范圍內(nèi)，徑向應(yīng)力釋放，壓應(yīng)力比初始應(yīng)力減小，環(huán)向應(yīng)力比初始應(yīng)力增大。1 290.0 m高程以上井壁圍巖有拉應(yīng)力出現(xiàn)，1 290.0 m 高程以下井壁圍巖主要以壓應(yīng)力為主。因1 260.0 m高程井壁處于不同圍巖介質(zhì)交界處，井底有開挖面存在的緣故，1 260.0 m高程井壁與井底局部圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值不大。

2.3 圍巖塑性區(qū)

由于應(yīng)力作用，使得圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)。最先進(jìn)入塑性狀態(tài)單元是在井口上部山體表面及1260 m 高程以上10～30 m 處井壁巖體，井壁處于長條形單薄山脊中，上部圍巖較破碎，同時上部井壁圍巖較單薄，故塑性區(qū)發(fā)展較大，最大值為0.0 033。隨著開挖的進(jìn)行，東北側(cè)井壁首先出現(xiàn)塑性應(yīng)變，并向下發(fā)展，最后擴(kuò)展到1 260.0 m高程部位。圍巖應(yīng)變沿環(huán)向擴(kuò)展到西北側(cè)與東南側(cè)，徑向向更深的圍巖發(fā)展。上部井筒附近圍巖等效塑性應(yīng)變等值線圖見圖5，受巖性的影響，1 260.0～1 319.2 m 高程井筒塑性區(qū)發(fā)育，尤其是在西北側(cè)與東南兩側(cè)；1 260.0 m高程以下井筒圍巖開挖后，只在高邊坡側(cè)出現(xiàn)塑性屈服，且塑性應(yīng)變很小?？梢?，經(jīng)過加固處理，圍巖產(chǎn)生的塑性應(yīng)變得到很好的改善。圍巖變形最大屈服區(qū)發(fā)生在1 265.0 m高程處井壁，深度在10 m以上。1 260.0 m 高程以上25 m 內(nèi)井壁附近圍巖塑性應(yīng)變超過塑性應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)，故在該部位應(yīng)進(jìn)行支護(hù)來約束塑性應(yīng)變的發(fā)展。

圖5 上部井筒附近圍巖等效塑性應(yīng)變等值線圖

3 結(jié)論

（1）井壁處圍巖徑向與豎向位移最顯著，整體圍巖位移自上而下呈遞減趨勢。隨著開挖的進(jìn)行，圍巖產(chǎn)生的位移逐漸增大，但是圍巖位移的增幅在減小。最終，圍巖位移不是很大，不會發(fā)生水平向位移破壞。

（2）井壁Ⅳ～Ⅴ類圍巖超前預(yù)固結(jié)灌漿加固后，圍巖位移、塑性應(yīng)變大大減小，可見軟弱區(qū)巖體灌漿處理對保證圍巖的穩(wěn)定是十分必要的，一定程度上也表明圍巖自身性質(zhì)對其穩(wěn)定性起重要作用。