白 琦,肖 明

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430072)

隧洞開挖過程中錨固支護(hù)施加時(shí)與掌子面距離的確定

白 琦,肖 明

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430072)

基于三維彈塑性損傷有限元分析軟件,建立了某引水隧洞工程的三維有限元模型,首先確定了施加錨固支護(hù)時(shí)的開挖荷載釋放率；然后分別研究了隨開挖荷載釋放率增大和掌子面推進(jìn)時(shí)圍巖的變形規(guī)律,并基于開挖荷載釋放率與位移釋放率之間的關(guān)系及位移釋放率與監(jiān)測斷面至掌子面距離之間的關(guān)系,建立了開挖荷載釋放率與監(jiān)測斷面至掌子面距離的關(guān)系,確定了以施加支護(hù)時(shí)與掌子面的距離為參數(shù)的錨固支護(hù)時(shí)機(jī)。

隧洞；開挖荷載釋放率；位移釋放率；錨固支護(hù)時(shí)機(jī)

隧洞開挖過程中受圍巖材料、地應(yīng)力及施工擾動(dòng)等因素的影響,合理地選擇錨固支護(hù)時(shí)機(jī)是個(gè)十分重要的問題,支護(hù)過早,則不能充分發(fā)揮圍巖的承載能力,使得錨桿受力過大,支護(hù)太晚,則圍巖變形太大,可能引起圍巖失穩(wěn)。對于隧洞開挖過程中的圍巖變形和支護(hù)時(shí)機(jī)問題,許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深刻的研究。趙旭峰[1]等結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析了深部軟巖隧道施工性態(tài)時(shí)空效應(yīng)；周順華[2]在明確應(yīng)力釋放率和位移釋放率的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析了開挖面空間效應(yīng)區(qū)的位移釋放,并建立了應(yīng)力釋放與位移釋放間的關(guān)系；李術(shù)才[3]進(jìn)行了數(shù)值模擬和模型試驗(yàn),定義了斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)來研究隧道施工斷面綜合荷載釋放過程；李利平[4]研究了隧道軟弱破碎圍巖空間變形機(jī)制與荷載釋放演化規(guī)律；孫均[5]等論述了采用釋放荷載模擬隧洞開挖的有限元步驟,并采用廣義虛擬支撐力法模擬開挖面時(shí)空效應(yīng)；蘇凱[6]等給出了隧洞開挖過程中初次支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇方法；肖明[7]等研究并提出了地下隧洞開挖和支護(hù)的三維數(shù)值計(jì)算方法。

本文基于三維彈塑性損傷有限元分析軟件[8],建立了某引水隧洞工程的三維有限元模型,分別研究了隨開挖荷載釋放率增大和掌子面推進(jìn)時(shí)圍巖的變形規(guī)律,構(gòu)建了開挖荷載釋放率η與位移釋放率ξ之間的關(guān)系及位移釋放率ξ與監(jiān)測斷面至掌子面距離D之間的關(guān)系,探求了開挖荷載釋放率η與監(jiān)測斷面至掌子面距離D之間的關(guān)系,從而得到了施加錨固支護(hù)時(shí)與掌子面的距離的確定方法,并在擬定的錨固支護(hù)時(shí)機(jī)下,進(jìn)行了錨固支護(hù)效應(yīng)分析。

1 隧洞開挖及支護(hù)方法和掌子面空間效應(yīng)

1.1 三維非線性有限元的隧洞開挖及支護(hù)方法

隧洞開挖以后,由于開挖單元的參數(shù)被弱化成為空氣單元,因此圍巖會受到開挖釋放荷載的擾動(dòng)作用[9]。開挖釋放荷載{Fc}是指作用于圍巖節(jié)點(diǎn)上的初始地應(yīng)力的釋放,可按下式計(jì)算

(1)

式中,{σ0}為開挖單元初始地應(yīng)力矩陣；[B]T為單元應(yīng)變矩陣的轉(zhuǎn)置。由于開挖釋放荷載一般由圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān),因此可將開挖釋放荷載{Fc}分為兩部分,分別進(jìn)行有限元迭代計(jì)算,即

{Fc}=η{Fc}+(1-η){Fc}

(2)

式中,η為荷載釋放率。

采用M-C屈服準(zhǔn)則,在尚未支護(hù)前,將第一部分荷載η{Fc}加于圍巖單元上,然后按下式進(jìn)行非線性迭代

[Ke]{δ}i=η{Fc}+[Kp]{δ}i-1

(3)

式中,[Ke]為巖體單元彈性剛度矩陣；[Kp]為巖體單元塑性剛度矩陣。

η{Fc}迭代計(jì)算完成后,考慮錨固支護(hù)。采用隱式錨桿柱單元方法[10]模擬錨桿,將錨桿單元的剛度矩陣添加到巖體單元上,重新形成巖體單元的等效剛度矩陣。對第二部分荷載(1-η){Fc}按下式進(jìn)行迭代計(jì)算

[Ke]{δ}i=(1-η){Fe}+[KP]{δ}i-1

(4)

1.2 荷載釋放率的確定方法

隧洞開挖完成后,其單元應(yīng)力狀態(tài)可以根據(jù)下式分為彈性和塑性,即

(5)

式中,F為屈服函數(shù)；{σc}為隧洞開挖后的圍巖應(yīng)力；{σ0}為巖體初始地應(yīng)力；{Δσ}為隧洞開挖后作用在圍巖上的單元應(yīng)力增量。若圍巖單元的初始應(yīng)力狀態(tài)為彈性,開挖后進(jìn)入了塑性狀態(tài),那么就會有一個(gè)臨界狀態(tài),使得

F({σc})=F({σ0}+α{Δσ})=0

(6)

式中,α為單元的彈性系數(shù),其大小反映了使單元進(jìn)入臨界狀態(tài)時(shí)所需要的應(yīng)力增量{Δσ}的比例。若開挖后圍巖單元應(yīng)力狀態(tài)仍為彈性,則彈性系數(shù)α=1；若開挖前圍巖就已經(jīng)屈服,則α=0。巖石是一種彈塑性損傷介質(zhì),彈性荷載在隧洞開挖后便瞬間釋放完成。考慮充分發(fā)揮圍巖的承載能力及錨固支護(hù)發(fā)揮作用的滯后效應(yīng),因此認(rèn)為錨固支護(hù)只能承擔(dān)部分塑性荷載。故將彈性系數(shù)α適當(dāng)放大得到開挖荷載釋放率η,即

η=(1+β)α

(7)

式中,β為反映圍巖承擔(dān)塑性荷載的系數(shù),取值范圍一般為0<β<1,圍巖巖性越好,則β越大；反之,β越小。β的確定和圍巖巖性、地應(yīng)力水平、隧洞形狀、隧洞尺寸、施工方式等有關(guān),需根據(jù)工程具體情況而定。在本文的例證工程中基于開挖荷載釋放后期隧洞圍巖位移增量迅速增大時(shí)圍巖有失穩(wěn)趨勢,給出了β的估計(jì)值。

1.3 掌子面空間效應(yīng)與位移釋放率

在開挖過程中隧洞圍巖的變形具有時(shí)空效應(yīng)特征,空間效應(yīng)是指隧洞開挖過程中掌子面對開挖后洞壁變形的約束作用[6],時(shí)間效應(yīng)是指圍巖變形隨時(shí)間而改變；空間效應(yīng)主要體現(xiàn)在剛開挖后圍巖的急劇變形段,時(shí)間效應(yīng)則表現(xiàn)在圍巖的流變階段。由于錨固支護(hù)一般在開挖后不久的時(shí)間段內(nèi)施加,時(shí)間效應(yīng)的影響很小,故在本文中計(jì)算圍巖變形時(shí)只考慮開挖掌子面的空間效應(yīng)。

在隧洞毛洞開挖過程中,考慮非坍塌情況,假定當(dāng)掌子面通過洞周Z點(diǎn)的距離大于S后,Z點(diǎn)所發(fā)生的位移為US(∞,Z),而當(dāng)該點(diǎn)與掌子面的距離D小于S所發(fā)生的位移為UD(D,Z),則定義Z點(diǎn)的位移釋放率為

(8)

式中,ξ反映了開挖面對洞壁圍巖變形的空間約束程度；S為開挖面空間效應(yīng)影響范圍,已經(jīng)證實(shí),S一般取距開挖掌子面2～3倍洞徑的距離。

2 有限元模型分析

2.1 三維數(shù)值模型

某引水隧洞工程的洞型為圓形,洞徑9.6 m,取X軸沿洞軸線指向開挖前進(jìn)方向,范圍為-50～50 m,長100 m；Y軸垂直于X軸,正向在開挖前進(jìn)方向左側(cè),范圍為-60～60 m,長120 m；Z軸與大地坐標(biāo)重合,由-50 m高程延伸至380 m地面高程。建立的三維網(wǎng)格模型如圖1a所示,模型共剖分了338 560個(gè)六面體單元,包含350 406個(gè)節(jié)點(diǎn)。地勘資料表明,隧洞圍巖為Ⅲ1類花崗巖,巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。根據(jù)實(shí)測地應(yīng)力值進(jìn)行初始地應(yīng)力場反演,取監(jiān)測點(diǎn)位置如圖1b所示,1、3號監(jiān)測點(diǎn)在地應(yīng)力第一主應(yīng)力方向上,2、4號監(jiān)測點(diǎn)在地應(yīng)力第三主應(yīng)力方向上,監(jiān)測斷面取在X=0斷面。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

圖1 三維數(shù)值模型與監(jiān)測點(diǎn)位置

2.2 錨固支護(hù)時(shí)荷載釋放率的確定

先對三維有限元模型一次完全開挖,得到開挖荷載的等效節(jié)點(diǎn)力,然后根據(jù)荷載釋放率將等效結(jié)點(diǎn)力按比例分為20份(每份為5%),依次施加在圍巖單元節(jié)點(diǎn)上,分別統(tǒng)計(jì)各荷載釋放率下4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移。

采用塑性區(qū)體積率和位移增量來反映圍巖特性的變化過程：塑性區(qū)體積率為圍巖塑性區(qū)體積與巖體開挖體積之比；位移增量為某一荷載釋放率下的圍巖位移減去前一荷載釋放率下的圍巖位移。結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 圍巖的塑性區(qū)體積率

圖3 圍巖的位移增量

從圖2可以看出：荷載釋放率為50%時(shí),塑性區(qū)出現(xiàn),說明單元的彈性系數(shù)可取0.50左右；此后塑性區(qū)隨荷載釋放率的增加而增大,在荷載釋放率為75%以后,塑性區(qū)增加速率加快。

從圖3可以看出：隨著開挖荷載釋放率的提高,圍巖位移不斷增大；在開挖荷載剛開始釋放的時(shí)候位移增量最大,荷載釋放率為20%～75%時(shí)位移增量基本不變,圍巖位移穩(wěn)定增大,之后隨著荷載釋放率進(jìn)一步增加(75%～100%),圍巖位移增量又開始增大,表明隨著開挖荷載釋放率的增加,圍巖位移快速增大,可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11-12]研究表明,在開挖荷載釋放后期,當(dāng)圍巖位移變化速率迅速增大時(shí),為了防止圍巖失穩(wěn),應(yīng)當(dāng)及時(shí)施加支護(hù)措施。因此取β=0.50,由式(7)可知,施加錨固支護(hù)時(shí)的荷載釋放率為η=(1+β)α=(1+0.50)·0.50=75%。綜合以上分析,可取開挖荷載釋放率為75%時(shí)為最佳錨固支護(hù)時(shí)機(jī)。

2.3 開挖過程中圍巖變形狀態(tài)

將三維有限元模型進(jìn)行全斷面逐段開挖(以2.5 m為進(jìn)尺),記錄開挖過程中各測點(diǎn)的圍巖位移變化,并計(jì)算圍巖位移增量,結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 開挖推進(jìn)過程中的圍巖位移

圖5 開挖推進(jìn)過程中的圍巖位移增量

結(jié)合圖4和圖5可以得到：在開挖掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面之前,該處圍巖已經(jīng)有了先行位移；從掌子面靠近監(jiān)測斷面約1.5倍洞徑處開始,監(jiān)測點(diǎn)圍巖位移值迅速增大；當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面時(shí),位移增量有最大值,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他開挖時(shí)期的位移增量,說明這一時(shí)期開挖荷載的釋放很大；然后隨著掌子面經(jīng)過監(jiān)測斷面后繼續(xù)推進(jìn)時(shí),該處圍巖位移繼續(xù)增加但位移增量迅速減小；當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面2倍洞徑以上距離時(shí),監(jiān)測點(diǎn)圍巖位移變形基本趨于穩(wěn)定。

3 錨固支護(hù)施加時(shí)距掌子面距離的確定

已經(jīng)給出了隨著掌子面推進(jìn)三維模型監(jiān)測點(diǎn)Z的位移釋放率ξ(D,Z)的計(jì)算公式,這里引出不同荷載釋放率下三維模型監(jiān)測點(diǎn)Z的位移釋放率ξ(η,Z)的計(jì)算公式

(9)

式中，U(η,Z)為荷載釋放率為η時(shí)Z點(diǎn)的位移；U(100%,Z)為開挖荷載完全釋放時(shí)Z點(diǎn)的位移。

根據(jù)式(8)、(9)定義的位移釋放率,計(jì)算出不同荷載釋放率下三維模型監(jiān)測點(diǎn)的位移釋放率ξ(η,Z)和隨著掌子面推進(jìn)三維模型監(jiān)測點(diǎn)的位移釋放率ξ(D,Z)。易知ξ的取值范圍為[0,100%]且連續(xù),則必然存在

ξ(η,Z)=ξ(D,Z)

(10)

由式(10)可知,對于給定的位移釋放率ξ,必有唯一的荷載釋放率η和掌子面與監(jiān)測斷面之間的距離D與之對應(yīng)。因此,以位移釋放率ξ為橫坐標(biāo),掌子面與監(jiān)測斷面之間的距離D為主縱坐標(biāo),荷載釋放率η為次縱坐標(biāo),建立荷載釋放率η與掌子面與監(jiān)測斷面D之間的距離之間的對應(yīng)關(guān)系,如圖6所示。

圖6 基于位移釋放率 ξ的 η-D曲線

由圖6可知,若已知荷載釋放率η,則可求得掌子面與監(jiān)測斷面之間的距離D。具體方法如下：①根據(jù)3.2確定的施加錨固支護(hù)時(shí)的荷載釋放率75%,在次坐標(biāo)軸上找到η=75%的點(diǎn)；②在根據(jù)三維模型建立的開挖荷載釋放率η與位移釋放率ξ的關(guān)系曲線上,找到該荷載釋放率對應(yīng)的位移釋放率ξ(75%,Z)；③由于位移釋放率軸為公共水平軸,因此可在根據(jù)三維模型建立的位移釋放率ξ與監(jiān)測斷面至掌子面距離D之間的關(guān)系曲線上找到一點(diǎn)使得ξ(D,Z)=ξ(75%,Z),過該點(diǎn)作水平線與主縱坐標(biāo)軸垂直相交,交點(diǎn)的坐標(biāo)即為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)下施加支護(hù)時(shí)與掌子面的距離D。

由于隨著荷載釋放,4個(gè)測點(diǎn)的位移釋放不是完全一致的,因此圖6中確定的距離D各不相同。其中,測點(diǎn)1、2、3、4確定的支護(hù)施加距離分別為5.77、6.17、4.78、6.55 m。選取最危險(xiǎn)的情況,即最佳錨固支護(hù)時(shí)機(jī)下施加支護(hù)時(shí)與掌子面的距離不能超過4.78 m。

4 結(jié) 論

(1)隨著荷載釋放率的增加,圍巖塑性區(qū)從無到有,逐漸增大；荷載剛開始釋放時(shí)圍巖位移增量最大,然后基本保持平穩(wěn),在荷載釋放的末期,位移增量又開始迅速增大,表明圍巖有失穩(wěn)趨勢。開挖掌子面推進(jìn)時(shí),在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面之前,監(jiān)測斷面處已經(jīng)有了超前位移；掌子面距監(jiān)測斷面越近,圍巖位移增量越大；掌子面通過監(jiān)測斷面時(shí),圍巖位移增量達(dá)到最大；掌子面通過監(jiān)測斷面之后繼續(xù)推進(jìn),該處位移繼續(xù)增大直至趨于穩(wěn)定。

(2)以某引水隧洞工程為例,由圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)時(shí)的荷載釋放率得出彈性系數(shù)為0.5,又由荷載釋放末期位移增量開始迅速增大,確定開挖荷載釋放率為75%時(shí)為最佳錨固支護(hù)時(shí)機(jī)；根據(jù)位移釋放率ξ的概念,建立了荷載釋放率η與位移釋放率ξ之間的關(guān)系及位移釋放率ξ與掌子面至監(jiān)測斷面距離D的關(guān)系,得到了以距離D為參數(shù)的支護(hù)時(shí)機(jī)的確定方法,得出距掌子面4.78 m時(shí)施加支護(hù)為最佳錨固支護(hù)時(shí)機(jī)。

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

《光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》和《光伏發(fā)電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》送審稿通過審查

2017年4月26日～27日，《光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》和《光伏發(fā)電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》送審稿通過水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院(以下簡稱水電總院)審查。

《光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》和《光伏發(fā)電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》由水電總院、中國電建集團(tuán)西北、中南、北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司和中國水電顧問集團(tuán)有限公司共同編制。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)編制工作于2014年8月啟動(dòng)。2015年6月組織召開了大綱評審會，2016年3月編制完成了兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿，向行業(yè)廣泛征求修改意見和建議。根據(jù)反饋意見，編制組反復(fù)修改完善，2016年11月組織召開了兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)送審稿討論會，根據(jù)討論會意見，于2017年3月修改完成了送審稿。

會議審查認(rèn)為，編制組提交審查的有關(guān)技術(shù)文件齊全；編制依據(jù)充分，結(jié)構(gòu)清晰，用詞簡明，規(guī)定明確，與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，具有可操作性；兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)格式規(guī)范，符合《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)定》(建標(biāo)〔2008〕182號)的規(guī)定。有利于規(guī)范光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究報(bào)告和可行性研究報(bào)告的編制，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。會議要求編制組根據(jù)本次審查會議意見，對兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)送審稿進(jìn)一步修改完善，適時(shí)召開定稿會，形成報(bào)批稿，盡早報(bào)國家能源局批準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施。

兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究報(bào)告和可行性研究報(bào)告編制的原則、內(nèi)容、深度和技術(shù)要求，適用于新建、改建或擴(kuò)建的并網(wǎng)光伏發(fā)電工程的預(yù)可行性研究報(bào)告和可行性研究報(bào)告的編制。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是在廣泛調(diào)研、認(rèn)真總結(jié)我國光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究階段和可行性研究階段的技術(shù)要求、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究成果的基礎(chǔ)上，廣泛征求各方意見，經(jīng)反復(fù)討論、修改和完善而形成的，充分反映了光伏發(fā)電工程預(yù)可行性研究階段和可行性研究階段的特點(diǎn)和技術(shù)水平。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定對合理開發(fā)太陽能資源、保證光伏發(fā)電工程建設(shè)有序開展具有重要意義。

(冷 輝)

DeterminationoftheDistancefromTunnelFacetoAnchorSupportingWorkingFaceduringTunnelExcavation

BAI Qi, XIAO Ming
(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,
Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China)

Based on 3D elasto-plastic damage finite element analysis software, a three-dimensional finite element model of a diversion tunnel is established to determining the distance from tunnel face to anchor supporting working face during tunnel excavation. Firstly, the excavation load releasing rate at the time of anchor supporting is determined. Secondly, the deformation values of surrounding rock are studied respectively with the increase of excavation load releasing rate and the advancing process of tunnel face. Thirdly, based on the relationship between excavation load releasing rate and displacement releasing rate and the relationship between displacement releasing rate and the distance between tunnel face and monitoring section, the correlativity between excavation load releasing rate and the distance between tunnel face and monitoring section is built, thus the anchor supporting time by using the distance from tunnel face to anchor supporting working face as a parameter can be determined．

tunnel; excavation load releasing rate; displacement releasing rate; anchor supporting time

2016- 12- 12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579191)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB057904,2015CB057900)

白琦(1993—),男,甘肅會寧人，碩士研究生,研究方向?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)工程；肖明(通訊作者)．

TU45

：A

：0559- 9342(2017)06- 0065- 05