牟文杰 駱 安 劉 波

（1.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司 陜西 西安 710016；2.西安理工大學(xué)巖土工程研究所 陜西 西安 710048）

1 引言

地下廠房巖錨梁的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已非常成熟，在我國(guó)地下廠房設(shè)計(jì)中已廣泛應(yīng)用[1]，其原理主要利用開(kāi)挖預(yù)留巖臺(tái)上布設(shè)的受拉及受壓錨桿，將混凝土梁錨固在巖臺(tái)上。巖錨梁承受自重及橋機(jī)等工作狀態(tài)下的受力，并傳遞至兩側(cè)巖體當(dāng)中。因此，在預(yù)留巖臺(tái)開(kāi)挖施工時(shí)要求格外嚴(yán)格，地下廠房的設(shè)計(jì)也盡量避開(kāi)斷層、夾層、節(jié)理發(fā)育等不良地質(zhì)帶。并且在開(kāi)挖爆破方面預(yù)留足夠的保護(hù)層，采用預(yù)裂及光面爆破技術(shù)等，減少對(duì)巖臺(tái)處圍巖的爆破震動(dòng)，同時(shí)利用先進(jìn)鉆孔設(shè)備及定位導(dǎo)向工藝等提高鉆孔精度來(lái)保證爆破效果[2-4]。巖錨梁在開(kāi)挖過(guò)程中以及后期運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題[5-6]，工程人員針對(duì)巖錨梁進(jìn)行了大量的研究分析，提出不同地質(zhì)條件下各種破壞模式[7-8]，采用三維有限元分析，提出關(guān)鍵塊體理論等研究方法[9-10]。

地下廠房埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，單純的地質(zhì)探洞不能詳細(xì)查明地層巖性分布及巖石條件。在工程施工中經(jīng)常遇到各種各樣的地質(zhì)條件。本文采用有限元應(yīng)力分析結(jié)合極限平衡計(jì)算方法，針對(duì)地下廠房順層向巖體對(duì)巖錨梁巖臺(tái)穩(wěn)定的影響進(jìn)行分析和研究，提出合理的支護(hù)和加固措施，為工程設(shè)計(jì)及施工提供一定的參考和借鑒。

2 順層向巖體對(duì)巖錨梁穩(wěn)定性的影響分析

侵入地下廠房范圍內(nèi)的順層向巖體與邊坡中的順層向巖體有所不同。邊坡中的順層向巖體在自然狀態(tài)沒(méi)有被擾動(dòng)的情況下，其層間存在充填物粘聚力很小時(shí)，僅有自重作用在巖層的法向存在應(yīng)力分量，通過(guò)巖層與填充物之間的摩擦產(chǎn)生抗滑力，此時(shí)邊坡穩(wěn)定基本取決于巖層的傾角和層間摩擦系數(shù)。而在地下廠房洞室中，巖層的穩(wěn)定與否，除以上因素外，洞室的洞型設(shè)計(jì)和巖層的分布位置，對(duì)穩(wěn)定結(jié)果影響也很大。如視傾角接近于90°的巖層，分布在圓形洞室的頂拱區(qū)時(shí)，洞室開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力發(fā)生調(diào)整（即二次應(yīng)力場(chǎng)），巖層間存在很大的法向應(yīng)力，相互擠壓，即使存在多組結(jié)構(gòu)面相交形成塊體，也無(wú)法滑出，巖層穩(wěn)定性較好。但若這一組巖層，分布在拱肩部位，或者頂拱為直墻結(jié)構(gòu)，此時(shí)只要在洞室附近隨便存在另外一組結(jié)構(gòu)面，與這組順層向巖體相交，即可形成不穩(wěn)定塊體。

3 模擬及評(píng)價(jià)方法

3.1 巖體塊體有限元模擬

三維巖體采用四面體10結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，見(jiàn)圖1。這種單元對(duì)于嚴(yán)格受地形控制的體形在單元的剖分上有很好的適應(yīng)性，這樣不至于使得單元剖分質(zhì)量不好影響到分析計(jì)算的精度，同時(shí)，該單元還是二次單元，計(jì)算分析結(jié)果的精度能夠得到保證。

圖1 巖體單元幾何模型示意圖

3.2 斷層、節(jié)理有限元模型

對(duì)于控制洞室穩(wěn)定的主要接觸面、斷層的模擬，采用FINAL有限元分析程序獨(dú)有的單元—COJO單元，單元的模型如圖2和圖3示。這種單元考慮接觸面的固定、滑動(dòng)、張開(kāi)三種接觸條件，收斂迅速，能很好模擬具有初始裂縫和無(wú)初始裂縫兩物體間的摩擦滑動(dòng)、張開(kāi)和閉合。

圖2 三維接觸面單元模型圖

圖3 COJO接觸面單元幾何模型

3.3 極限平衡分析

其主要原理是將滑體劃分為若干條塊，條塊看作是剛性的，滑面認(rèn)為達(dá)到極限平衡狀態(tài)且抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮狀態(tài)一致。各種方法都是通過(guò)力平衡或力矩平衡或二者都平衡來(lái)建立邊坡安全系數(shù)表達(dá)式，具體表達(dá)式為：

3.4 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)建立的有限元仿真分析模型，模擬得出洞室順層向巖體及開(kāi)挖面附近的應(yīng)力分布情況。在巖體沿順巖層方向不存在抗拉強(qiáng)度的假設(shè)條件下，通過(guò)極限平衡方法對(duì)巖塊進(jìn)行分析，找出不穩(wěn)定的巖塊與穩(wěn)定的巖塊分界線（面），此時(shí)不穩(wěn)定巖塊分布區(qū)域的巖體就是不穩(wěn)定塊體。

對(duì)不穩(wěn)定塊體預(yù)設(shè)支護(hù)方案，采用極限平衡方法分析不穩(wěn)定塊體的抗滑力與下滑力之比，根據(jù)穩(wěn)定情況調(diào)整支護(hù)類型，直至滿足要求為止。

4 工程算例

4.1 工程概況

某地下廠房埋深200m左右，縱軸線方向NW40°，開(kāi)挖尺寸221.45m×26.6m×74.1m，最大開(kāi)挖跨度28.8m，圍巖為微風(fēng)化～新鮮的中生帶二長(zhǎng)巖，巖體為較完整～完整塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育～不發(fā)育，結(jié)合緊密，圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ1類為主，局部裂隙密集及斷層破碎帶為Ⅳ類。

地下廠房上覆巖體厚200m左右，圍巖為微風(fēng)化～新鮮的中生帶二長(zhǎng)巖，結(jié)合PD18平硐、鉆孔資料，推測(cè)地下廠房巖體中發(fā)育有不利于拱頂穩(wěn)定的緩傾角斷裂，陡傾角長(zhǎng)大裂隙中等發(fā)育。巖體為塊狀結(jié)構(gòu)，較完整～完整，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育～不發(fā)育，結(jié)合緊密。廠房低于地下水位，為基巖裂隙水，巖體透水性微弱，故預(yù)計(jì)水量不會(huì)太大，僅局部沿結(jié)構(gòu)面滴水或滲水。圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ1類為主，局部裂隙密集及斷層破碎帶為Ⅳ類。地下廠房鉆孔巖芯中未發(fā)現(xiàn)餅狀巖芯，平硐中沒(méi)有剝落、巖崩等現(xiàn)象，初步分析認(rèn)為巖體存在高地應(yīng)力的可能性較小。

4.2 計(jì)算模型

三維整體模型有限元邊界條件：模型底面和側(cè)面均為固端約束，模型上部是地表，為自由表面。計(jì)算域邊界滿足洞周圍巖厚度不少于5倍開(kāi)挖跨度的要求，距地表距離不足5倍開(kāi)挖跨度時(shí)算至地表，為重點(diǎn)研究主廠房上游邊墻巖錨梁圍巖穩(wěn)定性，建立地下洞室模型見(jiàn)圖4。結(jié)構(gòu)面相關(guān)特性見(jiàn)表1。地下廠房巖層視傾角為82°，經(jīng)過(guò)有限元仿真分析，得到圍巖應(yīng)力場(chǎng)如圖5所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)巖塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到最深層的不穩(wěn)定塊體如圖6中4號(hào)塊體所示，約為130m3。3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)塊體分別為較淺層或淺層的塊體，分別為22m3、2.0m3、0.5m3。5號(hào)塊體為從頂拱起拱線算起最大不利塊體（頂拱區(qū)域巖體是相互擠壓結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性良好），是一種類似邊坡的極限狀態(tài)。

圖4 局部模型

圖5 圍巖應(yīng)力場(chǎng)

圖6 不穩(wěn)定塊體示意圖

表1 結(jié)構(gòu)面特性

4.3 不穩(wěn)定塊體及支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

采用預(yù)應(yīng)力錨索水平布置，間排距為6m×4.5m，預(yù)應(yīng)力為 150t。

4.3.1 對(duì)于1、2號(hào)塊體

對(duì)于設(shè)計(jì)輪廓線表層體積較小的1、2號(hào)不穩(wěn)定塊體（分別為0.5m3、2.0m3）。采用6m～9m深的長(zhǎng)錨桿進(jìn)行加固，即可滿足穩(wěn)定性要求。當(dāng)1、2號(hào)不穩(wěn)定塊體在支護(hù)前出現(xiàn)小掉塊等情況時(shí)，應(yīng)適當(dāng)采取超前支護(hù)措施。

4.3.2 對(duì)于3號(hào)塊體

（1）層間充填物為泥質(zhì)時(shí)：

摩擦角和粘聚力均取最小值：摩擦系數(shù)為0.3，粘聚力為5KPa。

抗滑力：F抗滑力＝605×2×0.3+3×1500×0.8/4.5+22×27×0.8×0.3+18×5＝363+80+25+90=608KN

下滑力：F下滑力＝22×27×0.99＝588KN

安全系數(shù)：=1.03＞1（處于穩(wěn)定狀態(tài)）

（2）層間充填物為其它材料時(shí)：

無(wú)論是摩擦角還是粘聚力均大于泥質(zhì)材料的摩擦角和粘聚力，即安全系數(shù)必然大于1.03。

4.3.3 對(duì)于4號(hào)塊體

（1）層間無(wú)充填或?yàn)槌涮顜r脈、鈣膜等，膠結(jié)好時(shí)：

摩擦角和粘聚力均取最小值：摩擦系數(shù)為0.55，粘聚力為15kPa。

安全系數(shù)：=3405/3475=0.98＜1（處于失穩(wěn)狀態(tài)）

此時(shí)需加強(qiáng)支護(hù)，提升預(yù)應(yīng)力錨索為200t級(jí)時(shí)：

安全系數(shù)：=4013/3475=1.158＞1（處于穩(wěn)定狀態(tài)）

（2）若層間充填物摩擦系數(shù)和粘聚力更小時(shí)，建議重新進(jìn)行深入分析。

4.4 結(jié)果分析及建議

考慮到主廠房上游邊墻陡傾順層向巖體形成不穩(wěn)定塊體，對(duì)巖錨梁局部圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)有限元仿真、極限平衡以及矢量和法，預(yù)測(cè)出廠房最不利情況下不穩(wěn)定塊體分布區(qū)域，并針對(duì)淺層、中層、深層不穩(wěn)定塊體進(jìn)行分析，得到以下建議：

（1）淺層塊體：屬于體積較小的表層不穩(wěn)定塊體，采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。表層破壞情況較重時(shí)，適當(dāng)采取超前支護(hù)。

（2）中層塊體：層間充填物為泥質(zhì)時(shí)，安全系數(shù)為1.03。若層間為其它材料充填物時(shí)，安全系數(shù)大于1.03。

（3）深層塊體：層間充填物為無(wú)充填或?yàn)槌涮顜r脈、鈣膜等，膠結(jié)好時(shí)，在設(shè)計(jì)支護(hù)方案下，安全系數(shù)為0.98。若將預(yù)應(yīng)力錨索更換為200t，其它不變時(shí)，安全系數(shù)為1.15。但若層間充填物摩擦系數(shù)和粘聚力更小時(shí)，建議重新進(jìn)行深入分析。

5 結(jié)語(yǔ)

地下廠房實(shí)際施工過(guò)程中，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多，參數(shù)選取的不同可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的差異。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元應(yīng)力分析及極限平衡相結(jié)合的方法，對(duì)地下廠房順層向巖體對(duì)巖錨梁巖臺(tái)的穩(wěn)定性進(jìn)行了粗淺的分析和研究，針對(duì)不穩(wěn)定塊體情況，提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)和方式的建議，為工程設(shè)計(jì)及施工提供一定的參考和借鑒。陜西水利

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