淺析順層巖體對地下廠房巖錨梁穩定性影響

牟文杰 駱 安 劉 波

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

1 引言

地下廠房巖錨梁的設計與施工技術已非常成熟，在我國地下廠房設計中已廣泛應用[1]，其原理主要利用開挖預留巖臺上布設的受拉及受壓錨桿，將混凝土梁錨固在巖臺上。巖錨梁承受自重及橋機等工作狀態下的受力，并傳遞至兩側巖體當中。因此，在預留巖臺開挖施工時要求格外嚴格，地下廠房的設計也盡量避開斷層、夾層、節理發育等不良地質帶。并且在開挖爆破方面預留足夠的保護層，采用預裂及光面爆破技術等，減少對巖臺處圍巖的爆破震動，同時利用先進鉆孔設備及定位導向工藝等提高鉆孔精度來保證爆破效果[2-4]。巖錨梁在開挖過程中以及后期運行中經常發現質量問題[5-6]，工程人員針對巖錨梁進行了大量的研究分析，提出不同地質條件下各種破壞模式[7-8]，采用三維有限元分析，提出關鍵塊體理論等研究方法[9-10]。

地下廠房埋深大，地質條件復雜，單純的地質探洞不能詳細查明地層巖性分布及巖石條件。在工程施工中經常遇到各種各樣的地質條件。本文采用有限元應力分析結合極限平衡計算方法，針對地下廠房順層向巖體對巖錨梁巖臺穩定的影響進行分析和研究，提出合理的支護和加固措施，為工程設計及施工提供一定的參考和借鑒。

2 順層向巖體對巖錨梁穩定性的影響分析

侵入地下廠房范圍內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沒有被擾動的情況下，其層間存在充填物粘聚力很小時，僅有自重作用在巖層的法向存在應力分量，通過巖層與填充物之間的摩擦產生抗滑力，此時邊坡穩定基本取決于巖層的傾角和層間摩擦系數。而在地下廠房洞室中，巖層的穩定與否，除以上因素外，洞室的洞型設計和巖層的分布位置，對穩定結果影響也很大。如視傾角接近于90°的巖層，分布在圓形洞室的頂拱區時，洞室開挖后，圍巖應力發生調整（即二次應力場），巖層間存在很大的法向應力，相互擠壓，即使存在多組結構面相交形成塊體，也無法滑出，巖層穩定性較好。但若這一組巖層，分布在拱肩部位，或者頂拱為直墻結構，此時只要在洞室附近隨便存在另外一組結構面，與這組順層向巖體相交，即可形成不穩定塊體。

3 模擬及評價方法

3.1 巖體塊體有限元模擬

三維巖體采用四面體10結點實體單元，見圖1。這種單元對于嚴格受地形控制的體形在單元的剖分上有很好的適應性，這樣不至于使得單元剖分質量不好影響到分析計算的精度，同時，該單元還是二次單元，計算分析結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、節理有限元模型

對于控制洞室穩定的主要接觸面、斷層的模擬，采用FINAL有限元分析程序獨有的單元—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、張開三種接觸條件，收斂迅速，能很好模擬具有初始裂縫和無初始裂縫兩物體間的摩擦滑動、張開和閉合。

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，滑面認為達到極限平衡狀態且抗剪強度的發揮狀態一致。各種方法都是通過力平衡或力矩平衡或二者都平衡來建立邊坡安全系數表達式，具體表達式為：

3.4 評價方法

根據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挖面附近的應力分布情況。在巖體沿順巖層方向不存在抗拉強度的假設條件下，通過極限平衡方法對巖塊進行分析，找出不穩定的巖塊與穩定的巖塊分界線（面），此時不穩定巖塊分布區域的巖體就是不穩定塊體。

對不穩定塊體預設支護方案，采用極限平衡方法分析不穩定塊體的抗滑力與下滑力之比，根據穩定情況調整支護類型，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°，開挖尺寸221.45m×26.6m×74.1m，最大開挖跨度28.8m，圍巖為微風化～新鮮的中生帶二長巖，巖體為較完整～完整塊狀結構，結構面中等發育～不發育，結合緊密，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，圍巖為微風化～新鮮的中生帶二長巖，結合PD18平硐、鉆孔資料，推測地下廠房巖體中發育有不利于拱頂穩定的緩傾角斷裂，陡傾角長大裂隙中等發育。巖體為塊狀結構，較完整～完整，結構面中等發育～不發育，結合緊密。廠房低于地下水位，為基巖裂隙水，巖體透水性微弱，故預計水量不會太大，僅局部沿結構面滴水或滲水。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現餅狀巖芯，平硐中沒有剝落、巖崩等現象，初步分析認為巖體存在高地應力的可能性較小。

4.2 計算模型

三維整體模型有限元邊界條件：模型底面和側面均為固端約束，模型上部是地表，為自由表面。計算域邊界滿足洞周圍巖厚度不少于5倍開挖跨度的要求，距地表距離不足5倍開挖跨度時算至地表，為重點研究主廠房上游邊墻巖錨梁圍巖穩定性，建立地下洞室模型見圖4。結構面相關特性見表1。地下廠房巖層視傾角為82°，經過有限元仿真分析，得到圍巖應力場如圖5所示。

經過對巖塊進行穩定性分析，得到最深層的不穩定塊體如圖6中4號塊體所示，約為130m3。3號、2號、1號塊體分別為較淺層或淺層的塊體，分別為22m3、2.0m3、0.5m3。5號塊體為從頂拱起拱線算起最大不利塊體（頂拱區域巖體是相互擠壓結構，穩定性良好），是一種類似邊坡的極限狀態。

圖4 局部模型

圖5 圍巖應力場

圖6 不穩定塊體示意圖

表1 結構面特性

4.3 不穩定塊體及支護結構分析

采用預應力錨索水平布置，間排距為6m×4.5m，預應力為 150t。

4.3.1 對于1、2號塊體

對于設計輪廓線表層體積較小的1、2號不穩定塊體（分別為0.5m3、2.0m3）。采用6m～9m深的長錨桿進行加固，即可滿足穩定性要求。當1、2號不穩定塊體在支護前出現小掉塊等情況時，應適當采取超前支護措施。

4.3.2 對于3號塊體

（1）層間充填物為泥質時：

摩擦角和粘聚力均取最小值：摩擦系數為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：=1.03＞1（處于穩定狀態）

（2）層間充填物為其它材料時：

無論是摩擦角還是粘聚力均大于泥質材料的摩擦角和粘聚力，即安全系數必然大于1.03。

4.3.3 對于4號塊體

（1）層間無充填或為充填巖脈、鈣膜等，膠結好時：

摩擦角和粘聚力均取最小值：摩擦系數為0.55，粘聚力為15kPa。

安全系數：=3405/3475=0.98＜1（處于失穩狀態）

此時需加強支護，提升預應力錨索為200t級時：

安全系數：=4013/3475=1.158＞1（處于穩定狀態）

（2）若層間充填物摩擦系數和粘聚力更小時，建議重新進行深入分析。

4.4 結果分析及建議

考慮到主廠房上游邊墻陡傾順層向巖體形成不穩定塊體，對巖錨梁局部圍巖穩定性進行分析。經過有限元仿真、極限平衡以及矢量和法，預測出廠房最不利情況下不穩定塊體分布區域，并針對淺層、中層、深層不穩定塊體進行分析，得到以下建議：

（1）淺層塊體：屬于體積較小的表層不穩定塊體，采用系統錨桿支護即可達到穩定狀態。表層破壞情況較重時，適當采取超前支護。

（2）中層塊體：層間充填物為泥質時，安全系數為1.03。若層間為其它材料充填物時，安全系數大于1.03。

（3）深層塊體：層間充填物為無充填或為充填巖脈、鈣膜等，膠結好時，在設計支護方案下，安全系數為0.98。若將預應力錨索更換為200t，其它不變時，安全系數為1.15。但若層間充填物摩擦系數和粘聚力更小時，建議重新進行深入分析。

5 結語

地下廠房實際施工過程中，地質條件復雜多樣，巖體結構復雜，影響因素眾多，參數選取的不同可能導致計算結果的差異。本文結合工程實例，采用有限元應力分析及極限平衡相結合的方法，對地下廠房順層向巖體對巖錨梁巖臺的穩定性進行了粗淺的分析和研究，針對不穩定塊體情況，提出了支護結構和方式的建議，為工程設計及施工提供一定的參考和借鑒。陜西水利

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