地下洞室開(kāi)挖數(shù)值模擬分析

曾新發(fā)

(湖南城市學(xué)院城市管理學(xué)院，湖南益陽(yáng) 413000)

0 引言

地下洞室在開(kāi)挖過(guò)程中，由于應(yīng)力釋放而引起主應(yīng)力差的變化，對(duì)洞室圍巖應(yīng)力及變形產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致洞室圍巖失穩(wěn)［1-3］。

1 有限元數(shù)值分析

本文基于經(jīng)典Drucker-Prager(D-P)屈服準(zhǔn)則的函數(shù)關(guān)系［4，5］，研究了主應(yīng)力的變化對(duì)安全強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)的影響。建立三維有限元模型，結(jié)合某洞室特點(diǎn)，對(duì)其開(kāi)挖施工過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、變形及關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，評(píng)價(jià)了該洞室因開(kāi)挖造成的穩(wěn)定性問(wèn)題。針對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中，局部點(diǎn)安全系數(shù)偏小的情況，通過(guò)三個(gè)混凝土二次襯砌方案的比選，得出最優(yōu)支護(hù)方案，為地下洞室開(kāi)挖及支護(hù)方案提供借鑒。

1.1 工程概況及三維模型

圖1 地下洞室布置及斷層位置示意圖

圖2 洞室開(kāi)挖步驟示意圖

某水電站尾水建筑物包括尾水支洞、尾水閘門室、尾水井、尾水隧洞、出口檢修閘門室和尾水渠，按三機(jī)一調(diào)一尾格局布置，共布置九條尾水支洞，地質(zhì)構(gòu)造包括Ⅲ級(jí)斷層F20，F(xiàn)21，F(xiàn)22，如圖1所示。

圖3 典型斷面X=-225.97 m上關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)小主應(yīng)力隨開(kāi)挖進(jìn)行的動(dòng)態(tài)變化曲線

三維計(jì)算模型共劃分單元184 336個(gè)，節(jié)點(diǎn)38 954個(gè)，采用位移邊界，實(shí)體單元模擬，地下洞室布置以及斷層位置示意圖如圖1所示。洞室總共分38步開(kāi)挖，尾水支洞和尾水隧洞均分三層開(kāi)挖，根據(jù)設(shè)計(jì)順序錯(cuò)動(dòng)開(kāi)挖，井身及五洞叉口開(kāi)挖步驟示意圖如圖2所示，開(kāi)挖順序?yàn)?A1，A2，…，A7，C1，B1，B2，…，B15，C2，C3，C4。

1.2 施工期開(kāi)挖成果分析

選取典型斷面，對(duì)洞室在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。典型斷面上，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置如圖3所示。各關(guān)鍵點(diǎn)小主應(yīng)力(拉正壓負(fù))、安全系數(shù)隨開(kāi)挖步的動(dòng)態(tài)變化曲線如圖4，圖5所示。

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)隨開(kāi)挖進(jìn)行的動(dòng)態(tài)變化曲線

由圖4不難看出，當(dāng)開(kāi)挖高程達(dá)到該關(guān)鍵點(diǎn)所處的高程時(shí)，小主應(yīng)力突然變大，呈現(xiàn)出階梯狀跳躍式變化，局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，在關(guān)鍵點(diǎn)下3處，最大拉應(yīng)力1.10 MPa。

由圖5可以看出，關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)隨開(kāi)挖步的進(jìn)行而不斷降低，當(dāng)開(kāi)挖高程達(dá)到該關(guān)鍵點(diǎn)所處的高程時(shí)，該點(diǎn)的安全系數(shù)呈現(xiàn)出斷崖式下降，局部位置的安全系數(shù)小于規(guī)范的要求，如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)施工時(shí)安全系數(shù)小于規(guī)范要求關(guān)鍵點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

此外，井上部關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)在開(kāi)挖初期降幅最大，而中部關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)最小值發(fā)生在開(kāi)挖中期，約為開(kāi)挖總步的一半;開(kāi)挖后期，下部關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)取得最小值，這表明，隨著開(kāi)挖的不斷進(jìn)行，洞室圍巖的失穩(wěn)過(guò)程是由頂部向底部不斷地來(lái)擴(kuò)展。

2 二次襯砌后穩(wěn)定性分析

針對(duì)上述個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的情況實(shí)施二次混凝土襯砌支護(hù)。混凝土襯砌分別澆筑至高程583.3 m，613.5 m，625.50 m三個(gè)方案進(jìn)行模擬對(duì)比計(jì)算。

圖6 不滿足規(guī)范要求點(diǎn)安全系數(shù)隨襯砌高程變化情況

經(jīng)二次襯砌后，典型斷面上各關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)的變化見(jiàn)圖6。由圖可知，當(dāng)二次襯砌高程低于關(guān)鍵點(diǎn)所處高程，該關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)基本不變;當(dāng)二次襯砌高程大于關(guān)鍵點(diǎn)所處高程，該關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)增大明顯，且均大于1.05，滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵點(diǎn)中1安全系數(shù)變化最小，當(dāng)混凝土澆筑至625.5 m時(shí)，安全系數(shù)才達(dá)到1.07。通過(guò)上述幾個(gè)方案數(shù)值計(jì)算和比選，混凝土澆筑至625.5 m高程方能完全滿足圍巖穩(wěn)定要求，因此，這一方案是最安全合理的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用D-P準(zhǔn)則，對(duì)地下洞室群開(kāi)挖施工造成的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，當(dāng)洞室開(kāi)挖至某關(guān)鍵點(diǎn)而導(dǎo)致該點(diǎn)圍巖突然卸荷時(shí)，該點(diǎn)小主應(yīng)力表現(xiàn)為驟升，該點(diǎn)安全系數(shù)表現(xiàn)為驟降，說(shuō)明主應(yīng)力差突變對(duì)圍巖穩(wěn)定極為不利。

2)開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖整體穩(wěn)定，隨開(kāi)挖的進(jìn)行，關(guān)鍵點(diǎn)小主應(yīng)力持續(xù)增加，安全系數(shù)逐漸減小，洞室圍巖潛在的失穩(wěn)過(guò)程是由頂部向底部不斷擴(kuò)展，洞室拐角點(diǎn)和斷層切割部位的少數(shù)關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定要求。

3)當(dāng)二次襯砌高程大于關(guān)鍵點(diǎn)所處高程時(shí)，該關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)增大明顯，且均大于1.05，滿足規(guī)范穩(wěn)定要求。通過(guò)方案比選，當(dāng)混凝土澆筑至625.5 m高程時(shí)，滿足圍巖穩(wěn)定要求，為合理方案。

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