锦屏二级水电站施工排水洞岩爆机理及特征分析

刘立鹏^{1, 2}，汪小刚¹，贾志欣¹，段庆伟¹，于洪治³，刘斌³

(1. 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京，100048；

2. 中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京，100083；

3. 北京振冲工程股份有限公司，北京，100102)

摘要：利用FLAC3D软件模拟锦屏二级水电站施工排水洞典型洞室断面围岩开挖应力调整过程，通过关键点应力监测分析洞壁不同深度围岩应力变化过程特征及岩爆潜在动力源分布情况，同时，据自洞壁围岩应力释放率分析研究岩爆滞后性特征。研究结果表明：洞壁浅表层围岩最大、最小主应力皆为降低过程，发生应力降低型屈服却不易积聚弹性应变能；距洞壁一定距离处围岩发生塑性屈服并积聚较高弹性应变能，形成岩爆潜在动力源，随围岩屈服过程不同程度地释放能量，对浅表层屈服围岩的稳定产生影响进而发生岩爆灾害；深部弹性区围岩亦聚集较高的应变能，会进一步加剧岩爆的等级及破坏性；围岩应力释放率较低时不会发生岩爆灾害，应力释放率逐渐变大，围岩弹性应变能及塑性应变能分布特征逐渐变化，释放率达到70%~80%时围岩将发生岩爆灾害。

关键词：岩爆；机理；应变能密度；锦屏二级水电站

中图分类号：TV39          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)10-3150-07

Analysis of mechanism and characteristic of rockburst in drainage-hole of Jinping Ⅱ hydropower station

LIU Li-peng^{1, 2}, WANG Xiao-gang¹, JIA Zhi-xin¹, DUAN Qing-wei¹, YU Hong-zhi³, LIU Bin³

(1. Department of Geotechnical Engineering, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China;

2. School of Engineering & Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;

3. Beijing Vibroflotation Engineering Co. Ltd., Beijing 100102, China)

Abstract: The stress distribution process in surrounding rock mass near excavation surface of typical cross-section in Jinping Ⅱ hydropower station drainage-hole during excavation was simulated using the FLAC3D numerical software. The characteristics of stress alteration in different depths of the surrounding rock and the potential rock burst energy source were analyzed by the key point stresses monitoring. Based on the hypothesis of rock mass stress release rate around the wall, the delay characteristic of the rock burst was researched from the angle of rock mass stress release rate. The results show that the major and minor principal stresses of the shallow surrounding rock reduce during excavation, and the rock mass in this region yields in stress-reduce way which is not easy to accumulate elastic strain energy. Surrounding rock mass of a certain distance from the tunnel wall yields in plastic way and accumulates considerable elastic strain energy, which becomes the rock burst energy source, while the rock yields, the energy releases, which affects the stability of shallow stress-reduce yield rock mass and eventually leads to rock burst. The deep rock mass which is in elastic state also accumulates great stain energy, aggravates the degree of rock burst and damage. The rock burst will not occur when the stress release is low; as the stress release rate gradually increases, the distribution of the  elastic strain energy and plastic strain energy change and the risk of rock burst obviously increases; rock burst happens when stress release rate reaches 70%-80%.

Key words: rockburst; mechanism; density of strain energy; Jinping Ⅱ hydropower station

岩爆是高地应力条件下的地下洞室开挖过程中，因围岩开挖卸荷而发生脆性破坏，储存于岩体中的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。自1738年英国锡矿首次报道发生岩爆以来，德国、南非、中国等许多国家和地区记录有工程岩爆问题，它直接危险工程施工人员、设备安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一^[1]。国内外学者从多方面对岩爆问题进行了大量的研究，得到较多可应用于工程实际中的岩爆预测方法、防治措施，如陶振宇判据^[2]、二郎山公路隧道岩爆判别方法^[1]、秦岭岩爆判别方法^[3]、临界埋深判据^[4]、Barton判据^[5]、Russense判据、Turchaninov判据、Kidybinski方法、Hoek判据^[6]-7]等，并结合现场现象及室内试验表征对岩爆机理进行研究，得到许多有益的结果^[8-11]。地下洞室开挖围岩应力释放及调整是一个逐步变化的特征，主要集中于宏观地应力量级及与围岩力学参数关系的研究上，对围岩应力逐步调整释放过程中岩爆是否发生及量级等的影响研究较少。随着计算机技术的发展，现代数值计算分析技术已成为岩土工程中不可或缺的重要手段，如何利用数值模拟技术对围岩应力调整过程及其对岩爆灾害的影响进行研究分析，并将围岩应力释放率与岩爆滞后性特征间建立一定的联系，对于地下工程中岩爆灾害的形成机理及加固措施和时机等具有重要的实际意义。在此，本文作者以锦屏二级水电站施工排水洞为研究对象，针对其施工以来发生的20余次破坏性岩爆现象，首先利用FLAC3D软件对施工排水洞桩号SK10+915段(图1中蓝色线位置)洞室开挖过程中围岩应力变化情况进行模拟分析，自应力调整过程角度分析研究岩爆机理，同时寻找潜在岩爆动力源，并从围岩应力释放率分析解释岩爆的滞后性特征。

1  工程地质概况

锦屏二级水电站地处青藏高原向四川盆地过渡的地貌斜坡地带，由首部低闸、引水隧洞和地下厂房三大部分组成，电站利用雅砻江150 km大河湾的巨大天然落差裁弯取直，开挖隧洞引水发电，最大水头高度为312 m，装机容量为3.2 GW，电站自然条件非常优越。工程区上覆岩体一般埋深1.5~2.0 km，最大埋深达2.525 km，整个工程区处于高地应力区，景峰桥、猫猫滩闸址深孔钻探中出现岩饼现象，实测最大主应力达到42.11 MPa。河海大学三维初始地应力场反演结果表明1.6 km高程最大主应力高达63 MPa^[12]。为解决地下高压突水问题，修建的施工排水洞采用TBM掘进施工，自2008-06-18日开始掘进以来，发生具有破坏性岩爆共20余次，其中有3次具有较强破坏性，并引起洞内大范围塌方及支护措施的毁坏。

隧洞区出露地层为三叠系下统(T₁)、中统(T₂)和上统(T₃)的部分地层，主要有细砂岩、中砂岩、粗砂岩、板岩、大理岩、细晶灰岩、泥质灰岩、条带状云母大理岩、角砾状大理岩、绿泥石片岩等地层，其中引水隧洞工程地质剖面图如图1所示。

图1  锦屏二级水电站引水隧洞工程地质纵剖面图(据华东勘察设计院)

Fig.1  Engineering geology of Jinping Ⅱ hydropower station

2  围岩应力调整过程

在2009-05-07，施工排水洞的SK10+915-SK10 +906段洞壁2点到5点位置发生延伸9.0 m、环向3.0 m、最大爆坑深度为1.0 m的中等岩爆灾害，本文作者利用数值模拟软件FLAC3D对这一桩号段洞室开挖围岩应力重分布过程进行分析研究，在应力调整过程中寻找岩爆潜在动力源，以研究岩爆产生机理。由文献[12]可知：此桩号段最大主应力σ₁为48 MPa左右，中主应力σ₂与最小主应力σ₃为38.4 MPa左右。出露围岩主要为Ⅱ类中厚层大理岩，围岩参数如下：弹性模量M为33.0 GPa；内聚力c为1.1 MPa；泊松比ν为0.21；容重γ为27.0 kN/m³；内摩擦角φ为52°；抗拉强度σ_t为3.7 MPa。

2.1  模型的建立

(1) 洞室围岩及施工排水洞为理想弹塑性材料，不考虑岩体结构面对洞室围岩稳定性的影响，屈服准则为Mohr-Coulomb屈服准则。

(2) 模型长为200 m，宽为120 m，高为120 m，隧洞直径为7.2 m，58 800个单元，60 701个节点。

(3) x方向为水平垂直洞轴线方向，y方向为竖直垂直洞轴线方向，z方向为水平平行洞轴线方向。

2.2  围岩应力变化

对施工排水洞进行一次性开挖，开挖长度L为50 m，应力调整结束后围岩最大应力分布特征见图2。

由图2可知：围岩掌子面前方及侧壁一定范围内发生应力重分布现象，并显现明显“驼峰应力”分布模式^[13]。图2显示了洞室围岩应力调整结束后分布特征，岩爆一般发生于围岩应力调整过程中，在水平垂直洞壁方向设置8个主应力监测点，各点距侧壁距离如下：A点为1.01 m，B点为3.15 m，C点 5.33 m，D点为7.55 m，E点为9.81 m，F点为12.13 m，G点为14.50 m，H点为16.90 m。同时，掌子面前端1，3，5，7，9，11，13和15 m处亦布置8个主应力监测点A′，B′，C′，D′，E′，F′，G′和H′，各监测点布置见图3。

各监测点应力调整过程见图4和5。由图4和图5可知，A′，B′和A点处最大主应力σ₁、最小主应力σ₃经历应力解除过程，在这一过程中最大主应力缓慢降低，并在较低应力水平下达到屈服状态，此后沿岩体峰值强度包络线经历显著σ₁和σ₃释放过程，并最终保持于低水平应力状态。在整个应力调整过程中，σ₁和σ₃没有经历增大即应力集中过程，围岩在较低应力下达到屈服，发生应力降低型破坏^[14]。

C′和B监测点σ₁首先经历升高过程，σ₃则为降低过程，此过程剪应力明显增加，围岩产生剪切屈服。屈服后围岩应力逐渐向邻近区域转移，沿岩体峰值强度包络线经历应力降低过程。由于屈服岩体处于洞壁一定深度范围内，在前后单元的“挤压”作用下，仍可以保持一定围压水平。围岩发生屈服时积聚较高能量，形成潜在岩爆动力源。围岩在屈服过程中释放能量，产生微震现象并对其他部位特别是严重屈服的浅表层围岩的稳定造成影响进而发生岩爆灾害。

图2  轴向、垂直洞轴向剖面最大主应力云图

Fig.2  Distribution of maximal stress on parallel-axes plane and perpendicular-axes plane

图3  监测点布置图

Fig.3  Monitor points in model

图4  掌子面不同监测点围岩应力变化过程曲线

Fig.4  Stress curves in rock behind drift of different monitor points

图5  洞壁不同监测点处围岩应力变化过程曲线

Fig.5  Stress curve in rock behind tunnel wall of different distances

D′和C处围岩应力变化的显著特点是经历围压σ₃松弛、σ₁增高的过程，由于未达到岩体峰值强度，围岩并未屈服而处于弹性状态。此处围岩虽处于弹性状态，并具有一定安全性，但由于变形过程中积聚较高弹性应变能，临近洞壁处已屈服围岩在其他工程扰动作用下打破临界状态时，此处围岩所积聚弹性应变能势必将加剧临界岩体破坏，发生等级较高岩爆灾害，如冲击型岩爆。

剩余各监测点处应力变化的共同特点是经历围压σ₃降低、σ₁增高过程，并保持弹性状态，但由于应力变化不大，所积聚弹性应变能较低，故在洞室围岩稳定中主要表现为弹性变形过程，对洞室岩爆灾害无恶化作用。

可见，由于地下洞室开挖对围岩应力重分布具有一定的影响半径效应，距洞壁及掌子面不同位置处围岩应力分布分别处于松弛区—集中区—过渡区—平稳区状态，所处各区对围岩稳定，特别对岩爆是否发生起不同影响作用。基于引水隧洞区应力调整过程中不同分布特征，可概述为浅表层应力降低型破坏区、潜在岩爆动力源区、岩爆恶化动力源区以及弹性变形区。

3  岩爆滞后效应研究

锦屏二级水电站辅助洞及引水隧洞地下洞室开挖过程中所发生岩爆灾害具有明显的滞后特征^[15-17]，同时，施工排水洞所发生岩爆随掌子面推进过程亦具有明显的滞后特征。根据新奥法施工基本理念，隧道开挖后围岩从变形到破坏有一时间历程，其包括开挖面向前推进、围岩应力逐渐释放的时间效应和围岩介质的裂变效应^[18]。锦屏二级水电站围岩条件良好，岩石流变效应对岩爆影响可忽略，应考虑应力逐渐释放的时间效应影响。本文利用洞室开挖围岩应力释放系数方法以围岩应变能分布为出发点对岩爆时效性(滞后)特征进行研究分析。

3.1  弹性应变能

设弹性体只在某一个方向如x方向受到均匀的正应力为σ_x、相应正应变为ε_x的作用，则其每单位体积中具有的形变势能即形变势能密度或比能为1/2σ_xε_x的弹性体承受全部6个应力分量σ_x，σ_y，σ_z，τ_xy，τ_yz和τ_zx作用，则弹性应变能密度为^[19]：

                           (1)

式中：σ_ij为应力分量；dε_ij为弹性应变增量。

3.2  塑性应变能

塑性应变能就是物体进入塑性后，其塑性应变增量在对应塑性应变增量上所做的功。当单元进入塑性或开裂后，该单元体积的塑性应变能为^[19]：

                  (2)

式中：σ_ij为按加载直接计算超出屈服面外的计算应力；dε_ij^p为进入塑性时，沿屈服面流动的塑性应变增量；σ_ij^*为将σ_ij沿垂直屈服面法向拉到屈服面上所对应的应力，即F({Δσ_ij^*})=0。

3.3  弹性模量折减率

设拟开挖洞室初始弹性模量为E_ini，则折减后弹性模量E_red为

E_red=E_ini/F                               (3)

式中：F为弹性模量折减系数。

利用弹性模量折减系数法对围岩应力释放率进行研究，所得结果见图6(其中D为洞径)。从图6可见：围岩应力释放率与弹性模量折减系数间为指数函数关系，而非简单线性关系，围岩应力释放率较高值主要集中于弹性模量折减系数20%以内。

不同应力释放率下弹性应变能密度、塑性应变能密度分布情况如图7所示。由图7可知：伴随围岩应力释放的增加，洞壁浅部围岩逐渐自弹性状态向塑性状态转变。围岩应力释放达到70%~80%时出现塑性屈服区，且随着塑性屈服的发展，洞壁围岩塑性应变能分布范围不断增加^[20]，此时，围岩在一定深度范围内存在弹性应变能集中区。汪波等^[21]通过对苍岭隧道岩爆现象进行现场监测研究后认为：当应力释放系数超过60%时，岩爆发生的概率及烈度将明显加大，与本文所得结果相符。同时，由图7可知：塑性应变能密度分布范围与施工排水洞桩号SK10+915-SK10+906段岩爆爆坑深度相近(1.0 m左右)，释放率达到70%~80%时围岩将发生岩爆灾害，岩爆支护最佳时机应为围岩应力释放率达到70%之前。

图6  弹模折减系数与应力释放率之间的关系

Fig.6  Relationship between modulus reduction and stress release

图7  不同应力释放率弹性应变能及塑性应变能密度分布(单位：J/m³)

Fig.7  Density distribution of elastic energy and plastic energy with different stress release rates

4  结论

(1) 锦屏二级水电站引水隧洞距洞壁不同距离处围岩应力重分布过程各点所经历的变化过程不同：洞壁浅表层围岩最大主应力及最小主应力皆为降低过程，围岩发生应力降低型破坏，屈服过程不易积聚较高弹性应变能；在洞壁一定距离处围岩发生塑性屈服过程中，最大主应力增加，最小主应力降低，围岩发生屈服时积聚较高能量，形成潜在岩爆动力源。围岩在屈服过程中释放能量，产生微震现象并对其他部位特别是严重屈服的浅表层围岩的稳定造成影响进而发生岩爆灾害；塑性区外围弹性区内围岩易于聚集较高应变能，浅表层临界稳定围岩在其他工程扰动作用下打破临界状态时，势必加剧岩体破坏，进而可能表现出等级较高的冲击型岩爆。

(2) 在较低应力释放率下不会发生岩爆灾害，伴随围岩应力释放率的逐渐加大，围岩弹性应变能及塑性应变能逐渐变化，施工排水洞桩号SK10+915- SK10+906段应力释放率达到70%~80%时围岩将发生岩爆灾害现象，洞室最佳支护时机在围岩应力释放70%之前。

以上研究主要针对均质、各向同性条件高地应力硬脆性围岩中洞室开挖的岩爆现象，对于结构面等其他因素控制以及由于岩体各向异性等实际情况的影响未加以考虑，这有待下一步研究。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2010-10-28；修回日期：2011-01-20

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2008BAB29B01-5)；国家自然科学基金资助项目(40902086)

通信作者：刘立鹏(1983-)，男，安徽六安人，博士研究生，从事地下洞室及结构工程稳定性研究；电话：010-68786565；E-mail：icystone_2003@163.com