王　勇（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南　長沙　410014）

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某電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性研究

王勇（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014）

近年來，我國修建了一大批的大型水電站，地下廠房洞室跨度也越來越大。本文采用ABAQUS有限元分析軟件，對某電站地下廠房進行數(shù)值模擬計算，并進行了洞室開挖圍巖穩(wěn)定性的研究，并根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況選擇不同的施工方案。

地下廠房；圍巖穩(wěn)定；ABAQUS；有限元

引言

地下工程的研究對象為巖體，服務對象則是工程，例如：隧道工程、地下采礦工程、建筑工程、公路工程、鐵道工程、水利水電工程以及核廢料貯存工程等。雖然巖體力學研究已經(jīng)在全世界得到普遍重視，但是因為巖體地質(zhì)條件的特殊性、復雜性，令人類對地質(zhì)研究長期以來一直處在較為落后階段。

當前，在我國地下工程的圍巖穩(wěn)定與支護設計中，以有限元為代表數(shù)值模擬分析方法應用廣泛，打破了我國單純采用結(jié)構(gòu)力學方法應對地下工程的局面。通過有限元數(shù)值解法的應用，能夠在計算模型內(nèi)較好反映洞室圍巖性質(zhì)特征、外部荷載、邊界約束條件，使得洞室襯砌支護和圍巖成為一個整體進行分析，有效避免結(jié)構(gòu)力學方法的一些假定，提高了計算分析的精度等。

1　模型的建立

1.1地質(zhì)模型概述

水電站左岸引水發(fā)電水電系統(tǒng)的進水口位于左岸850m侵蝕平臺靠勘界河側(cè)邊緣部位。垂直埋深大于150m，水平深度大于250m。其主要工程地質(zhì)條件：

（1）圍巖主要忙懷組下段的沉積巖，以下為花崗巖，處于微風化～新鮮花崗巖體組成。

（2）圍巖類別為Ⅱ類約占55%，Ⅲ類約占30%，Ⅳ類約7%，Ⅴ類約8%。

（3）圍巖中的結(jié)構(gòu)面不存在Ⅲ級及Ⅲ級以上結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的不利組合體，主要由NNW向結(jié)構(gòu)面相互間組合，NNW向與NNE向結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的楔形體以及同走向結(jié)構(gòu)面，其傾向相反形成的正“人”字組合。

數(shù)值模擬以地下廠房為選取對象，邊界L=300m，埋深H= 480m，洞室半徑為R=15m，頂拱至開挖最底面h=60m。由于上覆巖體和圍巖以沉積巖和花崗巖組成，所以參數(shù)的選取依據(jù)現(xiàn)場和試驗提供的參數(shù)為依據(jù)，并依據(jù)現(xiàn)場和模型的特殊情況進行合理的修正，使模型的建立盡量合理并達到預期設計計算目的。

1.2理論模型

模型選取彈塑性Drucker-Prager屈服準則，由現(xiàn)場沉積巖γ1=26.5kn/m3，巖體抗剪強度指標，摩擦系數(shù)φ1=47.7°，粘聚力c1′=1.0MPa，巖體變形模量E1=4×109，泊松比ν1=0.3；沉積巖γ2=25.5kN/m3，巖體抗剪強度φ2=38.7°，粘聚力 c2′=0.5MPa，巖體變形模量E2=1.5×1010，泊松比v2=0.25。由于從現(xiàn)場和設計所得資料是關(guān)于 Mohr-Coulomb的參數(shù)，須將這些值轉(zhuǎn)化為Drucker-Prager屈服準則的參數(shù)值，即用D-P逼近M-C，選用線性D-P。

1.3地應力場的分析

初始應力場對于模擬材料屈服有圍壓依賴性，正確分析尤為重要。ABAQUS中Geostatic分析步對巖體施加體積應力。在理想的狀態(tài)下，該作用力和土體初始應力處于一個平衡狀態(tài)，令土體初始位移是零。但在平衡地應力場中，由于巖體的復雜性，定義的初始應力場和施加的荷載難以得到平衡。

Geostatic分析步中，ABAQUS/Standard會對巖體平衡狀態(tài)開展檢查，獲得和給定邊界、荷載條件平衡的一個應力狀態(tài)，并需要對預先定義初始應力狀態(tài)加以修正，以作后續(xù)分析步初始應力場。此過程中，對靜止側(cè)壓力系數(shù)k0，即泊松比v進行調(diào)整。非線性問題中，若是給定的初始應力場和Gesostatic步中的荷載未獲得一個平衡，則會造成非線性問題迭代的不收斂，無法獲得正確結(jié)果，此時就需要對初應力進行調(diào)整。如果在Gesostatic步中土體的變形太大，也必須重新校核定義的初始應力場是否正確。

1.4計算參數(shù)的選取

1.4.1邊界條件的確定

模型的左邊界、右邊界為位移約束邊界，約束水平方向的位移；模型的地面也為約束邊界，僅約束垂直和水平方向的位移；模型的頂面高程為821.5m，與實際地表最大相差261.5m，因此在模型的頂面施加由上部巖層產(chǎn)生的不均勻重力。由于所建模型的巖體主要由上部沉積巖和下部的花崗巖組成，因此在模型計算時應考慮此地形特征。

1.4.2仿真過程設計

開挖后圍巖的位移變形、應力場不僅取決于圍巖力學特性、結(jié)構(gòu)面特征、初始地應力和洞室的形態(tài)，開挖方案同樣也是一個重要影響因素。所以，數(shù)值仿真的也應該包含施工過程。以設計和施工中的開挖順序為基礎(chǔ)，然后進行合理的簡化，開挖步驟圖如圖1所示。

圖1　洞室開挖順序圖

2　洞室開挖后的圍巖穩(wěn)定分析

2.1應力場特征

（1）地下廠房區(qū)應力場的總體分布特征較為穩(wěn)定，主應力隨深度變化符合一般地應力場變化規(guī)律；而斷層一定程度上會影響應力分布連續(xù)性，特別是斷層附近呈現(xiàn)為較大剪應力變化梯度；斷層交匯部位呈現(xiàn)為顯著剪應力集中的現(xiàn)象。

（2）地下廠房區(qū)三向應力狀態(tài)的總體呈現(xiàn)為中間的主應力接近垂直，最大與最小主應力水平。

（3）廠房部位最大應力的方向和廠房軸線方向的夾角小于20°，應力量值偏小，對主廠房、主變開關(guān)室等主要洞室圍巖穩(wěn)定性的影響較小。

（4）應力隨深度均表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢，但最大和最小主應力隨深度增加的速率稍小。

（5）在底下洞室所在的范圍內(nèi)，原始地應力的變化范圍為：水平平行廠房軸線方向主應力：-6.4～-8.8MPa（拉應力為正，壓應力為負）；水平垂直于廠房軸線方向主應力為：-2.4～-3.6MPa。

（6）廠房區(qū)的初始應力場剪應力量級偏低，主廠房部位的剪應力低于-1MPa。

圖2　平面最大應力圖

圖3　平面最小應力圖

由結(jié)果圖2～3可以看出：

（1）洞室開挖完成后，圍巖主應力的方向出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)，總體而言，最大主應力呈現(xiàn)的是與洞室周邊相切（頂拱部位）或平行的（邊墻部位）趨勢。應力方向于洞室各角點的偏轉(zhuǎn)最顯著。洞室開挖之后，圍巖的二次應力場形成主要范圍與邊墻相距為60～90m。

（2）最大主應力在應力場內(nèi)變化處于-18.7～-2.12MPa范圍內(nèi)，集中區(qū)域分布于洞室2個拱角與左右2個下角點。主廠房左右2個拱角的最大壓應力值為-12.82MPa、-13.13MPa，左右2個下角點最大壓應力值為-14.82MPa、-15.97MPa。

（3）最小主應力在圍巖應力場內(nèi)的變化處于-6.69～3.26MPa范圍內(nèi)，重分布規(guī)律與最大主應力類似，在各個洞室左右2個下角點出產(chǎn)生壓應力集中。其中，主廠房最大壓應力值如下：左、右2個拱角達-3.08MPa和-2.56MPa，左、右2個下角點達-4.21MPa和-3.83MPa，頂拱中心點為-4.24MPa。

2.2變形位移特征（如圖4～6所示）

圖4　巖體位移變形圖

圖5　地下洞室垂直廠房軸線位移變形圖

圖6　地下洞室圍巖垂直方向位移變形圖

地下洞室開挖完成后，圍巖向臨空面發(fā)生回彈變形，總體表現(xiàn)為頂拱下落和地板拱起的位移較大，邊墻水平向內(nèi)的位移小。

分析結(jié)果表明：地下洞室開挖完成后，圍巖的變形總體上量值不大，一般在數(shù)10～20mm之間；頂拱和地板的變形略大與邊墻的變形。右邊墻大與左邊墻的變形，右端墻的變形大于左端墻的變形，最大位移量在頂拱和地板的中部。

2.3塑性區(qū)破壞過程分析（如圖7所示）

圖7　塑性區(qū)破壞圖

（1）圍壓塑性破壞區(qū)主要表現(xiàn)在洞室的上、下游邊墻部位。受斷層影響，破壞區(qū)主要發(fā)生在開挖附近區(qū)域，破壞形式以拉張破壞為主。

（2）根據(jù)洞室開挖后圍巖應力重分布的規(guī)律，圍巖的壓應力集中區(qū)主要分布在洞室的左、右兩個下角點和左、右兩個上角點等部位，拉應力則產(chǎn)生邊墻中部等處，另外底板中部部分地段也可能會出現(xiàn)局部的拉應力集中，圍巖破壞區(qū)的分布和這一規(guī)律有較好的一致性。由于花崗巖等脆性巖石材料抗拉強度低，所以在邊墻出現(xiàn)的拉張破壞區(qū)范圍大于壓應力集中區(qū)產(chǎn)生的剪切破壞區(qū)。破壞區(qū)的范圍隨開挖施工的進行呈現(xiàn)出動態(tài)的變化。

（3）破壞區(qū)的分布總是首先出現(xiàn)在開挖面的附近。但破壞區(qū)的大小、破壞類型和擴展方式與工程部位和施工順序緊密相關(guān)。

3　圍巖開挖施工方案

圍巖穩(wěn)定程度不同，應選擇不同的施工方案。施工方案選定合理，對保護圍巖穩(wěn)定性有很大意義；隧洞的開挖方式，基本上有兩種：①全斷面開挖法；②導洞開挖法。全斷面開挖法一般適用于圍巖很穩(wěn)定，無塌方掉石的地區(qū)。對巖石稍差但斷面尺寸較小的中小型隧洞亦可全斷面開挖。導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩(wěn)定的地質(zhì)條件。為了防止塌方冒頂事故，可縮小斷面，先打?qū)Ф?，然后分塊完成施工斷面。

（1）當圍巖不太穩(wěn)定，頂圍易塌時，應在洞室最大斷面的上部先挖導洞，立即支撐，達到要求的輪廓，作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護下擴大斷面，最后做側(cè)墻襯砌。這便是上導洞開挖、先拱后墻的辦法。為減少施工干擾和加速運輸，還可以用上下導洞開挖、先拱后墻的辦法。

（2）當圍巖很不穩(wěn)定，頂圍塌落，側(cè)圍易滑時，可先在設計斷面的側(cè)部開挖導洞，由下處向上逐段襯護。到一定高程，再挖頂部導洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側(cè)導洞開挖、先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。

（3）當圍巖較穩(wěn)定時，可采用單導洞全面開挖、上下雙導洞全面開挖、連續(xù)襯砌的辦法施工。

［1］胡愛宇.地下結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設計［D］.河海大學，2004.

［2］黃達.大型地下洞室開挖圍巖卸荷變形機理及其穩(wěn)定性研究［D］.成都理工大學，2007.

［3］郝 健.復雜地質(zhì)條件下超大型調(diào)壓井開挖圍巖穩(wěn)定性分析［D］.四川大學，2006.

王 勇（1987-），男，工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)工作。

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2095-2066（2016）13-0073-03

2016-4-10