李興權(quán)
(承德石油高等??茖W(xué)校,河北 承德 067000)
在地下群洞的開挖過程中,不同的開挖順序,就意味著對(duì)圍巖的一種不同的暫時(shí)加載方式,在施工期間不斷變化著的洞型和加載方式,不僅影響施工期內(nèi)地表的沉降、圍巖的應(yīng)力、破損區(qū)和洞周位移,而且影響洞體成型后的應(yīng)力分布、破損區(qū)大小以及洞周位移、地表位移狀況,由于開挖是造成地表沉降和圍巖應(yīng)力重分布的基本原因,因此,地下洞室的開挖方式己引起人們的廣泛注意[1-2]。
本文以錦屏二級(jí)水電站長(zhǎng)埋引水隧洞為工程背景,建立數(shù)值計(jì)算模型。由于該隧道橫截面沿長(zhǎng)度方向保持不變,在柱面上受有平行于橫截面而且不沿長(zhǎng)度變化的約束,同時(shí),體力也平行于橫截面而且不沿長(zhǎng)度變化屬于平面應(yīng)變問題。數(shù)值計(jì)算模型沿長(zhǎng)度方向厚度取1米,按平面應(yīng)變問題分析不同開挖順序?qū)ι畈坑矌r隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
錦屏二級(jí)水電站位于四川涼山彝族自治州境內(nèi)的雅礱江干流之上,裝機(jī)容量4800MW,單機(jī)容量600MW,按《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,屬一等工程,工程規(guī)模為大型,隧洞須按一級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。電站利用雅礱江150km 大河彎的巨大天然落差裁彎取直,開挖隧洞引水發(fā)電。電站由首部低閘、引水隧洞、地下廠房三部分組成[3]。
由于沿引水隧洞軸線方向的較長(zhǎng)范圍內(nèi),圍巖巖性較單一,隧道斷面形狀和尺寸不沿著隧道長(zhǎng)度方向變化,因此,此問題可近似簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題,故本次計(jì)算采用平面應(yīng)變方法進(jìn)行計(jì)算。模型如圖1 所示,由左到右,分別為1#、2#、3#、4#隧洞。模型邊界條件為左右兩邊均采用法向約束,底部也采用法向約束,頂部施加面應(yīng)力為44.6MPa。應(yīng)力場(chǎng)考慮了自重應(yīng)力場(chǎng),分別在x,y,z 方向施加35,28,44.6MPa 的構(gòu)造應(yīng)力。初始地應(yīng)力生成采用快速應(yīng)力邊界法(S-B 法)。由模型的初始應(yīng)力云圖可以看出,錦屏二級(jí)引水隧洞計(jì)算模型初始水平地應(yīng)力為34.12MPa~39.38MPa,初始縱向地應(yīng)力為27.295MPa~31.582MPa,初始豎向地應(yīng)力41.228MPa~52.865MPa,說明模型的應(yīng)力場(chǎng)分布與實(shí)際情況較為接近。
為模擬巖體的卸荷過程及其流變行為,采用FLAC3D 軟件中的Generalized -Kelvin 模型與Mohr-Coulomb 模型串連而成的粘彈塑性模型—Cvisc 模型,Cvisc 粘塑性蠕變模型考慮材料的粘彈塑性應(yīng)力偏量與彈塑性體積變化特性,它能描述巖石的衰減蠕變和等速蠕變,符合隧洞圍巖變形性質(zhì)。
引水隧洞巖體具體的巖石力學(xué)參數(shù)見表1,具體蠕變參數(shù)見表2。
表1 巖體力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters
表2 蠕變力學(xué)參數(shù)Tab.2 Creep mechanics parameters
圖2 拱頂最大主應(yīng)力變化曲線Fig.2 Curve of the maximum principal stress at vault
圖3 邊墻最大主應(yīng)力變化曲線Fig.3 Curve of the maximum principal stress at side wall
模擬設(shè)置三種不同的工況,分別為:
工況一:1#、2#、3#、4# 隧洞同時(shí)開挖;
工況二:先開挖2#、4# 隧洞,后開挖1#、3# 隧洞;
工況三:1#、2#、3#、4# 隧洞順序開挖。
隧洞開挖后,巖體變形并不是瞬間達(dá)到最終值,而是隨時(shí)間變化發(fā)展的,隧洞圍巖應(yīng)力隨著變形持續(xù)增長(zhǎng)而不斷調(diào)整變化,圖2 和圖3 為1# 洞開挖后拱頂和拱底某點(diǎn)隨蠕變時(shí)間最大主應(yīng)力變化圖。由圖可知,隧洞開挖后,圍巖應(yīng)力迅速調(diào)整,持續(xù)30 天后隧洞圍巖趨于穩(wěn)定。因此采用隧洞開挖30 天后圍巖進(jìn)行比較。
以錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程為依托,模擬多孔隧洞開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的相互影響,綜合數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工速度等要求,按工況二開挖,即群洞間隔開挖較為合理,應(yīng)力集中范圍較小,發(fā)生滯后巖爆等圍巖變形破壞的可能性小,因此,對(duì)于多洞隧道開挖采用間隔開挖法有利于降低滯后巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。
[1]張文彥.城市地鐵渡線區(qū)變截面群洞隧道施工技術(shù)的優(yōu)化研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.
[2]謝謨文,楊淑清,廖野瀾.互層狀巖體中群洞開挖穩(wěn)定性研究和實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1995,14(2):131-137.
[3]李大鑫.錦屏二級(jí)水電站不同施工方法引水隧洞圍巖穩(wěn)定性研究[D],成都:成都理工大學(xué),2009.