高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究.pdf

第 27 卷 第 7 期 岩石力学与工程学报 Vol.27 No.7 2008 年 7 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2008 收稿日期收稿日期2008–01–25；修回日期修回日期2008–02–26 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目90510019，50579033；国家重点基础研究发展规划973项目2002CB412705 作者简介作者简介朱维申1932–，男，博士，1962 年于波兰克拉科夫矿冶学院获博士学位，现任山东大学岩土结构工程研究中心主任、关键岗教授、博士 生导师，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E-mailzhuw 高地应力条件下洞群稳定性的地质力学高地应力条件下洞群稳定性的地质力学 模型试验研究模型试验研究 朱维申 1，2，李 勇1，张 磊1，辛小丽1，孙林锋1，马庆松1， 陈五一 3，李 杰3，张罗彬3 1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071；3. 中国水电工程顾问集团公司 成都勘测设计研究院，四川 成都 610072 摘要摘要以大渡河上双江口水电站为工程背景，综合介绍高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验，其中包 括模型试验钢结构台架、液压系统、围岩岩土相似材料、模型试验测试技术及元器件的研制、锚索和锚杆的制作 与埋设技术、洞群的开挖及测试等。研制出的钢结构台架可成功模拟大埋深、高地应力的条件，与之相配套的全 自动液压系统可实现同步非均匀梯度加载，具有压力高、持荷稳定等优点。以高精度的光栅尺为传感器制成的新 型多点位移计，对开挖过程中洞周围岩位移进行实时监测，并采用先进的数字摄像技术成功测量洞周收敛。研制 可施加预应力的微型锚索及提出和实施了独特的埋设注浆锚杆的锚固技术。开挖支护与监测同步进行并对开挖后 的测试成果进行相关分析，并建立三维有限元模型并用 FLAC3D数值分析软件进行相应的对比计算。计算结果与 测量结果相比较，二者规律基本吻合，表明模型试验取得了预期效果。在正常开挖支护和监测试验工作完成后， 又开展超载试验。模拟埋深达 1 000 m 乃至 2 200 m 时洞群变形和围岩破裂的规律并观察相关现象。研究工作的 结果对实际工程有一定的指导意义。 关键词关键词数值分析；高地应力；模型试验；钢结构台架；测试技术；锚杆和锚索；洞群的开挖及测试 中图分类号中图分类号O 241 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200807–1308–07 GEOMECHANICAL MODEL TEST ON STABILITY OF CAVERN GROUP UNDER HIGH GEOSTRESS ZHU Weishen1 ，2，LI Yong1，ZHANG Lei1，XIN Xiaoli1，SUN Linfeng1，MA Qingsong1， CHEN Wuyi3，LI Jie3，ZHANG Luobin3 1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China； 2. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China；3. Chengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute，China Hydropower Engineering Consulting Group，Chengdu，Sichuan 610072，China AbstractUnder the engineering background of the Shuangjiangkou Hydropower Station on the Dadu River，the physical model test of the stability of cavern group under high geostress was generally introduced，including the steel structural frame of the model test， the development of the hydraulic pressure system， the development of the rock analogy material，the development of the measuring technology and the measuring element，the fabricating and embedding technology of the prestressed cable and rock bolt，the excavation and measurement of the cavern group and so on. The developed structural frame can simulate the condition of great depth and high stress，the 第 27 卷 第 7 期 朱维申，等. 高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究 1309 fully-automatic hydraulic system can provide the nonuni gradient loads to simulate the actual in-situ stress and stabilize the loading. The high-accuracy mini extensometers measuring system with grating fiber as sensor can real-time measure the displacements of the surrounding rocks during the excavation. The digital vision system can measure the convergence of the cavern successfully. A new kind of prestress cable was developed and the unique bolt embedding technology was put forward and conducted. The measure proceeded with the excavation and support；and the measuring results were analyzed. In numerical analysis，the 3D finite element analytical model was set up and calculated by the numerical analytical software FLAC3D. The calculated results were compared with the measuring results. The laws of the two are in good agreement. After the completion of the excavation， support and measure，the overloading test was pered. The deation of the caverns and the fracture rule of the surrounding rock when the embedded depth reached 1 000 m to 2 200 m were simulated. The correlated fracture phenomenon was observed. The results of the work will make certain guiding significance to the practical engineering. Key wordsnumerical analysis；high geostress；model test；steel test frame；measurement technique；rock bolt and prestress cable；caverns excavation and measurement 1 引引 言言 在大型地下工程围岩稳定性研究中，目前大量 采用了数值分析法，但是模型试验法仍是一种另具 特色和常为不可或缺的方法，因为有时需要在复杂 条件下用其来对比验证数值分析法的正确性。此外， 还可用此方法研究围岩的破裂机制和破坏过程及形 态。近年来前人也在不断推进和发展此类模型试验 方法和技术。 李仲奎等[1 ，2]提出了地质力学模型试验的几项 新技术，包括洞室群施工过程模拟中的隐蔽开挖技 术和内窥测监测等，并成功用于一个大型水电站地 下厂房洞室群的施工仿真三维地质力学模型试验研 究。陈安敏等[3 ，4]研制了三向加载地质力学模型试 验装置，可对模型边界施加均布荷载和阶梯形荷载， 能满足大型岩土工程试验研究的需要。张强勇等[5] 研制出一种新型组合式三维地质力学模型试验台架 装置，应用于一大型分叉隧道模型试验，具有结构 新颖，组装灵活方便，尺寸可任意调整的技术优势。 王汉鹏等[6]配制出一种新型的铁晶砂相似材料，该 材料具有容重高，性能稳定，易干燥，易于加工堆 砌以及可重复使用的特点，可模拟范围较广的岩体 材料。曾亚武和赵震英[7]介绍了一个大型水电工程 的地下洞室模型试验，给出了围岩应力和位移分布 以及破坏形态和机制。沈 泰[8]介绍了长江科学院近 年在地质力学模型试验技术的特点和发展趋势，认 为此方法在发现新的力学机制和验证数学模型等方 面有广泛的应用前景。姜小兰等[9]针对构皮滩工程 的地质问题，采用三维地质力学模型试验技术，全 面模拟了大坝基础的岩体条件和整体双曲拱坝， 得出了拱坝的破坏机制及超载安全能力。马芳平 等[10]研制了 NIOS 地质力学模型相似材料，并在溪 洛渡电站地下洞室群模型试验中做了应用。苏承东 等[11]自制了采矿平面应力相似模拟试验装置，较好 地解决了以往荷载范围有限，稳定性不好等技术难 题。王爱民等[12]对模型试验中的位移量测研制了一 种微型高精度多点位移计设计，并解决了埋设和安 装等有关问题，成功地应用于洞室围岩稳定的试验 中。朱维申等[13]考虑了几种主要影响因素，对洞室 群边墙位移做了大量计算分析，得到了位移预测公 式并提出围岩稳定性的判据。朱维申等[14 ，15]与日本 学者合作研究了节理岩体中大型洞室的锚固效应， 对煤矿巷道软岩支护也进行过模型试验。 2 工程背景工程背景 双江口水电站工程位于四川省境内的大渡河上 源足木足河与绰斯甲河汇口以下 2～6 km 河段。坝 址区河谷属高山深切曲流河谷，两岸山体雄厚，临 河坡高 1 000 m 以上，自然坡度左岸 35 ～50 ，右 岸 45 ～60 。高程 2 800 m 以下呈略不对称的峡谷 状 V 型谷。但所在山体往上延伸一直达到 2 800 m 的高程。因此，该最高峰会对厂区的初始地应力场 有一定的影响。在厂房区的现场地应力测量表明， 有的测点最大主应力值可达 38 MPa 左右，这是国 内少见的高地应力区。坝址区无区域性断裂切割， 岩体主要由致密坚硬的细～中粒似斑状黑云钾长花 冈岩和细～中粒二云二长花冈岩组成。两岸岩体向 河谷临空方向卸荷强烈。 1310 岩石力学与工程学报 2008年 发电厂房为地下式，厂房内安装 4 台水轮发电 机。电站装机容量为 2 000 MW。地下厂房包括主 厂房、主变室、尾水调压室、母线廊道、尾水洞、 交通洞等洞室群，厂房轴线方向为 N10 W。三大洞 室平行布置，其中主厂房全长 196 m，宽 29.3 m， 高 63 m。垂直埋深约 498 m。 3 大型洞群稳定性模型试验研究大型洞群稳定性模型试验研究 3.1 模型试验钢结构台架的研制模型试验钢结构台架的研制 目前，具有有关地下工程的模型试验装置系统 的单位有武汉大学的平面应力试验装置及加载系 统；清华大学李仲奎教授等研制的三维多主应力面 的大型加载试验系统；总参工程兵科研三所顾金才 院士研制的平面应变三向加载模型试验装置；重庆 交通科研设计院研制的公路隧道结构与围岩综合实 验系统；中国矿业大学研制的真三轴巷道平面模 型试验台；山东大学研制的三维地质力学模型试验 组合式台架等。 本次模型试验台架的设计吸取了上述多家试验 台架的优点，在钢结构的设计方面有如下特点在 框架外沿是一个门式框架钢结构，侧压荷载可反应 垂直向地应力的梯度变化。模型的前后 2 个外围结 构由一拼装的箱型盒系统形成，为使前后方向变形 量满足平面应变的要求，在箱型结构若干部位钻 孔，通过拉杆对穿，可以有效地减小钢架前后 2 个 方向的位移量。 该模型试验钢结构架主要用于做准三维的平面 应变模型试验，且平面模型的厚度可以在一定范围 内调整。模型结构的强度和刚度可模拟和进行高地 应力及埋深达 2 000 m 以上的地下工程围岩稳定研 究。图 1 给出了模型试验钢结构架平面布置图。 图 1 模型试验钢结构架平面布置图单位mm Fig.1 Layout of the steel structural frameunitmm 3.2 模型试验液压加载系统的研制模型试验液压加载系统的研制 3.2.1 模型试验的液压加载 设计的液压加载设备能模拟从低压到高压到超 高压的情况。垂向重力模拟和 2 个方向的侧向加载 一共需要 15 个加载系统， 每个方向各 5 个， 每个加 载系统由 2 个 30 t 的液压千斤顶和一个液压控制系 统组成，而全部的加载系统由一个总的液压控制系 统控制。可对台架内有效尺寸为 2.5 m2.5 m0.8 m 的模型体进行二向加压。 3.2.2 液压加载系统的构成 1 总的液压控制台包括可实现手动控制和 自动控制液压。能长时间至少 15 d保持设定的压 力值。2 30 个 30 t 的液压千斤顶，15 个分压控制 系统。3 液压排气系统充油前有排气的功能。 3.2.3 液压加载控制系统的技术特点 1 操作简单，组装灵活方便。 2 能按照实际非均匀分布的地应力进行同步 非均匀加载，而且具有压力高、升压快速和持荷稳 定的优点。 3 能自动控制模型加载与稳压。 4 泵站为 6 台能单独工作的液压动力泵，具 有结构简单、体积小和压力高等特点。 3.3 围岩岩土相似材料的研制围岩岩土相似材料的研制 岩体相似材料采用的是自行研制的铁晶砂胶结 岩土相似材料。该复合材料由重晶石粉、铁晶粉、 石英砂、一级松香、99.9 纯度的工业酒精等为原 料，已于 2007 年获得国家发明专利。根据相似原 理，本试验采用的几何和应力相似比都为 1/200。 表 1 给出了原型岩石和相似材料参数均值。 表 1 原型岩石和相似材料参数均值 Table 1 Parameters of prototype rock and similar material average values 介质 密度 /gcm －3 湿压强 度/MPa 变形模量 /MPa 泊松比 黏聚力 /MPa 摩擦 因数 原型岩石2.65 80.0 30.00 0.20 2.00 0.85 相似材料2.65 0.4 0.15 0.20 0.01 0.85 3.4 模型试验量测技术和元器件模型试验量测技术和元器件 埋设和布置的量测元件包括高精度的微型多点 位移计自主研发、应变砖、收敛卡规、测试标点、 CV 摄像机和测试标点等。因限于文章篇幅，在此 仅重点介绍几种较新的技术方法。 3.4.1 位移测试系统 为了实时监测洞室群围岩在开挖过程中位移的 第 27 卷 第 7 期 朱维申，等. 高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究 1311 变化，沿洞群轴线方向设置了 2 个微型多点位移计 监测断面，主要测试主厂房周围关键点的位移，每 个断面顶拱设多点计孔 1 个，高边墙各 2 个。每个 断面 15 个测点，共 30 个测点，最浅的点与边墙壁 面相距 2 cm，然后分别相距 4 和 7 cm。测量精度 可达到 1～10 μm。 新研制的微型多点位移计从传感器、位移传递 方法以及数据实时处理软件都比从前的有了进一步 的创新，并在试验中得到成功应用，将申报国家发 明专利。其原理是采用了高精度的光栅尺做传感 器，位移传递采用不锈钢丝，并用重锤拉紧。在制 作工程模型时用预埋方法设置在相应的位置处。 3.4.2 收敛测量技术 数字摄像技术CV系统，是一种高精度的非接 触式位移实时监测系统。试验中通过记录监测点坐 标值的变化，用像素转换关系换算出实际位移值的 变化。 3.5 锚杆和锚索的制作及埋设锚杆和锚索的制作及埋设 3.5.1 锚杆 根据相似原理，可推算出模型锚杆的支护参数， 为简化施作工艺，用刚度等效法，以一个锚杆代替 原型的 6 根锚杆。在进行了多种材料力学参数试验 后，选用了较符合刚度要求的楠竹作为锚杆的模型 材料。在模型中锚杆竖直和水平方向的间距都为 5 cm。由于试验空间狭小，因此采用一种材料性质接 近模型材料的柱状物预埋在锚杆的预定部位。到开 挖到位时，再抽出来，然后将楠竹锚杆用注浆方法 插入锚孔以实现锚固。这一工艺需要制定一种很巧 妙的技术方法。 3.5.2 锚索 现场使用锚索规格为T2 000 kN，L25 m 4.5 m，为了试验的方便可行，实际试验中以力学等 效原理用 1 根锚索代替原型中的 4 根锚索。微型锚 索的设计加工需十分精细，除了小钢索外，尚需焊 上一个小弹簧，并在外端连上可拧紧的螺母。在钢 索上尚需贴上应变片以测定其应力，锚索采用预埋 法设在合适的位置，等开挖到位时再拧紧外露的螺 母，施加相应的预应力。 3.6 工程模型的制作和加载设计工程模型的制作和加载设计 工程模型体是采用在台架中现场进行浇铸和捣 固的制作方法。在此过程中于相应部位埋设了各种 测试元件。此次模型采用的尺寸为 2.0 m2.5 m 0.5 m。在模型体中考虑了 2 个机组的空间布置， 包括主厂房、主变室、尾水调压室、母线洞和部 分尾水洞见图 2，进行了准三维试验。由于整个 双江口地下洞室群的竖直埋深为 400～600 m，故在 加载过程中考虑了两种状况一种是模拟真实现场， 即垂直方向模拟 600 m 埋深的竖直荷载，而水平向 初始地应力侧压系数，根据拟合出的地应力场，取 λ 1.5。在工程模型 2 个侧边实施梯形加载以近似 模拟水平地应力随深度的增加，而后进行开挖支护 和做各类测试。另一种情况是在加载并实施开挖试 验结束后，对模型进行高地应力超载试验，分别模 拟了 1 000，1 300，1 600，1 900 m，2 200 m 埋深 时的荷载，使洞室群出现破坏现象未完全破坏， 然后再对模型进行逐级卸载。 图 2 模型洞室群开挖顺序图 Fig.2 Excavating subsequences of model cavern group 3.7 模型的开挖与测试模型的开挖与测试 首先根据设定的地应力，同步施加垂直和水平 向的外荷载，然后进行开挖和支护工作。 因受到模型尺寸的限制，所以将原定的 8 个开 挖分层合并为 4 个分层，对现场开挖实际工序进行 了简化的等效开挖模拟见图 2。洞室开挖采用人工 钻、凿掘进方式，开挖时每分层每次向前推进 5 cm， 整个开挖过程共分 21 个大步，102 个小步，开挖的 同时配备内窥可视摄像系统实时监控深埋洞室群开 挖进程。每当开挖至一个轮回进尺深度后即停止开 挖，抽出锚杆预埋件，设锚杆、锚索加力。在开挖 锚固一定时间后对模型各测试传感器测定其读数变 化，并做好记录。然后进行下一个轮回进尺的洞室 开挖、支护和测试记录，直至全部开挖和支护完毕。 图 3 为开挖完成后主厂房内收敛测点、锚索和 锚杆的布设照片。 4 模型试验测试结果分析模型试验测试结果分析 对试验所得的某些主要测试结果进行了分析， 同时建立了相对应的实际计算分析模型，进行了数 值模拟计算，并将计算结果与实际测得结果进行了 比较。 1312 岩石力学与工程学报 2008年 图 3 开挖完成后时主厂房内收敛测点、锚索和锚杆的 布设照片 Fig.3 Layout of convergence measurement points，prestress cables and rock blots inside main powerhouse after excavation 4.1 多点位移计量测结果分析多点位移计量测结果分析 图 4 为主厂房顶拱 7测点位移随开挖步变化的 实测值与计算值比较，可以看出，二者的变化趋势 和最后的总位移量是相当一致的。 图 4 主厂房顶拱 7测点位移随开挖步变化的实测值与 计算值比较 Fig.4 Comparison between measured and calculated displacements at the measurement point No.7 at the arch crown of the main powerhouse 4.2 洞壁位移的收敛量测洞壁位移的收敛量测 图 5 给出了主厂房收敛测点布置图。图 6 给出 了主厂房上游边墙1收敛测点位移在关键开挖段时 实测值与计算值比较。图 7 给出了主厂房上游边墙 单位cm 图 5 主厂房收敛测点布置图 Fig.5 Layout of convergence measurement points in the main powerhouse 图6 主厂房上游边墙1收敛测点位移在关键开挖段时实测 与计算值比较 Fig.6 Comparison between measured and calculated displacements at the convergence measurement point No.1 on the upstream side wall of main power house during key period of excavation 图 7 主厂房上游边墙 4收敛测点位移在关键开挖段时 实测值与计算值比较 Fig.7 Comparison between measured and calculated displacements at the convergence measurement point No.4 on the upstream side wall of main powerhouse during key period of excavation 4收敛测点位移在关键开挖段时实测值与计算值比 较。 根据图 6，7 位移曲线中的最大值，换算到现场 边墙的位移值，可得后者约为 2 cm；从此二曲线可 看出，围岩变形还是有一定的规律性。至开挖完成 未发现有围岩掉块或明显的破裂现象，说明在此条 件下，围岩经过加固还是较为稳定的。 5 数值分析数值分析 在数值分析中，充分考虑地下厂房区二个机组 段的主厂房、主变室、母线洞、尾水调压室、尾水 洞等洞室，以及四周足够范围大小的围岩，建立了地 下厂房洞室群稳定分析的三维有限元分析模型。模型 中的混凝土喷层及围岩均采用空间八节点等参实体 单元，系统锚杆采用只计入轴向刚度的锚杆单元进 行模拟，整个计算域共剖分 20 754 个节点和 96 662 非接触式 CVT 检测收敛点 机械卡规检测收敛 锚索 锚杆 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 开挖步 位移/cm 实测值 计算值 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 1011121314 15 16 17 18 19 2021 开挖步 位移/mm 实测值 计算值 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 开挖步 位移/mm 实测值 计算值 0246810 12 14 16 182022 第 27 卷 第 7 期 朱维申，等. 高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究 1313 个单元见图 8，采用了 FLAC3D软件进行了数值分 析，所得计算值与实测值对比见图 5～7。 图 8 数值分析模型图 Fig.8 Numerical analytical model 6 超载试验测试结果和分析超载试验测试结果和分析 全部开挖支护完毕后，经过测试记录，等数据 稳定后，即进行模型的超载试验。超载试验是将垂 直向荷载和水平向外荷载按侧压系数λ1.5逐步 施加。分别加到埋深 1 000，1 300，1 600，1 900 和 2 200 m 时的荷载。在其过程中测取围岩变形的 读数，可绘出以下的相关变化曲线。图 9 给出了 多点位移计 1～6测点布置图，其位移变化曲线 见图 10，11。 单位cm 图 9 多点位移计 1～6测点布置图 Fig.9 Layout of measurement points No.1–6 of the extensometers 图 10 2光栅尺在超载过程中的位移变化 Fig.10 Displacement curve of grating rule No.2 during overload proless 图 11 超载过程中多点位移计 1～6多点位移计测点位移 变化曲线 Fig.11 Displacement curves of the measurement points No.1–6 grating rules during the overload testing 从图 10，11 可以看出，超载试验边墙位移值折 合现场实际值最大已达到 10 cm 左右。在超载过程 中当埋深超过 1 300 m 之后，可以看到顶拱和边墙 围岩有掉碎渣现象，从玻璃窗中可看到局部有裂缝 出现。当荷载达到 1 600～2 200 m 时，则围岩有片 状剥落现象出现，裂缝也在增多，但围岩一直都未 出现大块的坍落。这说明锚固系统对围岩的破坏起 到了较为有效的控制作用。 7 结结 论论 1 本课题成功研制了可模拟高地应力和大埋 深2 200 m条件下研究大型洞群稳定性的地质力学 模型试验台架，并配有全自动的液压加载系统。在 台架前后设置了全透明的刚化玻璃观察窗，可观察 围岩破裂的发展过程。 2 测位移时所用的多点位移计，采用了高精 度光栅尺做传感器，和线式传递系统及张紧技术以 及数据快速处理的技术；并首次采用数字摄像技术 CV系统来测量洞周微量收敛位移，取得较理想的 效果。 3 在锚固模拟技术中，研制了可施加预应力 的微型模型锚索以及发明了埋设注浆锚杆的独特锚 固技术。 4 测试结果与数值分析可相互验证。 5 超载试验实现了 2 200 m 埋深的高地应力 条件下洞群围岩的破裂研究。 6 试验结果说明在超载达到 3 倍以上时，围 岩变形较大，但尚未发现显著破坏。因此，锚固效 应还是较好的。 本文只是在高地应力条件下模型试验研究的中 间成果，试验中的一些技术方法，尚需进一步的改 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 1 101 201 301401 501 601 701 时间序列 位移/mm 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1 0001 3001 600 1 900 2 200 加载所对应的埋深/m 位移/mm 1 2 3 4 5 6 2 500 1314 岩石力学与工程学报 2008年 进和完善。但是从整体效果看，试验取得了预期效 果，对实际工程及今后试验研究的发展起到了一定 的指导作用。 参考文献参考文献References [1] 李仲奎，卢达溶，中山元，等. 三维模型试验新技术及其在大型 地下洞群研究中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2003，229 1 430–1 436.LI Zhongkui，LU Darong，ZHONG Shanyuan，et al. 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