UDEC在發育節理條件下調壓井穹頂開挖穩定性分析中的應用

蔣 兵

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

當巖體中包含大量裂隙、節理、破碎帶甚至斷層等不連續結構，使巖體既不完全連續，也不完全離散，如何合理描述這種非連續巖體的力學行為已成為國際巖石力學界公認的理論難題[1]。離散單元法是專門用來解決不連續介質問題的數值模擬方法，該法把節理巖體看成是由離散的巖塊和巖塊間的節理面所組成。巖塊能移動、轉動和變形，而節理面可被壓縮、分離或滑動[2-3]。調壓井穹頂位于巖體條件復雜的地質環境中，節理裂隙發育，在穹頂開挖過程中極易與節理互相切割形成不穩定塊體[4]，同時，節理裂隙的存在一定程度上降低了穹頂成拱效應，使穹頂豎向位移增大，具有一定的安全隱患[5-7]。因此，為分析其穩定性，借助二維UDEC離散元軟件，對穹頂跨度最大且節理裂隙與開挖結構面最不利組合進行分析。

2 調壓井穹頂模型建立

2.1 模型尺寸

調壓井埋深約67 m，寬度23 m，穹頂圓心角102.95°，半徑14.7 m，穹頂以下開挖高度約94 m。本計算主要研究穹頂變形，為節約計算時間，只考慮交通洞開挖范圍，即開挖高度按7.5 m進行計算。為消除邊界影響，左右及底部邊界均取大約100 m。根據地質資料，具有三組節理裂隙：①組走向40°～50°傾向NW∠10°～20°，間距1～2 m，面緩波狀，略粗糙，延伸長20～30 m；②組5°～15°NW∠40°～50°，間距20～40 cm，面略粗糙，延伸長3～5 m，密集發育；③組50°～60°SE∠40°～50°，斷續延伸長20～30 m，間距1～2 m，面粗糙無充填。經過分析以及簡化模型考慮，將走向接近的①和③組節理合并為一組節理，UDEC模型示意見圖1。

圖1 UDEC節理模型示意圖

2.2 初始地應力

模型頂部取至覆蓋層地表，為自由邊界條件，左右和下部采用法向位移約束。底部施加沿著深度變化的地應力。左右邊界約束X方向位移，底部施加約束X和Y向位移。

2.3 分析步設置

根據工程現場調壓井穹頂施工進度，擬作以下分析步：

第一步：計算地應力平衡。計算初始應力場，包括一定埋深下的水平向、豎直向位移。

第二步：開挖穹頂和直墻范圍內巖體。考慮穹頂開挖以后，荷載釋放100%的工況，運行至最大不平衡力趨于較小定值(一般在104左右)。

第三步：施加錨桿，運行至最大不平衡力趨于較小的定值(一般在104左右)。

3 材料參數

根據地質資料，計算參數取值見表1。

根據UDEC軟件對參數的要求，需要將彈性模量和泊松比轉化為體積膨脹模量K和剪切模量G，見表1。錨桿及注漿體力學參數見表2。

表1 地質參數表

表2 錨桿及注漿體力學參數

4 計算結果分析

1) 未施做支護，穹頂穩定性分析。見圖2-圖7。

圖2 最大不平衡力變化趨勢(單位：N)

圖3 開挖至平衡應力云圖(單位：Pa)

圖4 開挖至平衡位移矢量圖(單位：m)

圖5 開挖至平衡Y方向位移云圖(單位：m)

圖6 節理剪切滑移區示意圖(紅色)

圖7 節理張開區示意圖(紅色)

根據圖2可知，模型開挖后運行5 000步，已經達到平衡要求。此時調壓井穹頂左側和右側出現應力變稀疏、變小的現象，且左側的稀疏范圍比右側大，說明在這兩個區域隨著開挖并達到新的平衡過程中，出現了不同程度的比其他部位更大應力釋放，見圖3。這一現象通過圖4-圖6可以進一步看出，位移矢量圖和Y向豎向位移圖中穹頂左側的位移較大，右側的位移較小，穹頂最大位移約16 mm，小于在《錨桿噴射混凝土支護技術規范》表5.3.3中計算的允許最大豎向位移為23 mm。在圖6節理剪切滑移區示意圖中，也明顯的表示出在穹頂左側出現較大的剪切滑移，右側出現較小的剪切滑移，最大剪切滑移范圍約5 m。為了進一步驗證穹頂是否會失穩，通過查看節理張開區進行說明。在圖7中，節理張開區僅在底部出現，并未出現在穹頂，說明穹頂塊體并未出現滑移至脫空現象，塊體能夠通過相互擠壓形成較為穩定的拱。

上述分析并未考慮地質參數的隨機性、不均質性以及施工等外部因素的擾動，在實際施工過程中，不可避免的會出現穹頂掉塊現象，甚至出現由于關鍵塊體失穩導致其他塊體連環失穩的現象。因此，在穹頂開挖后要及時清掃穹頂表面不穩定塊體，同時應在穹頂穩定一段時間后立即做噴錨支護措施。

2) 開挖穩定后進行錨桿支護。在開挖穩定后施做直徑25 mm、間距2 m、長8 m的錨桿，計算結果見圖8-圖13。

圖8 錨桿示意圖(紅色)

圖9 位移矢量圖(單位：m)

圖10 施加錨桿至平衡Y方向位移云圖(單位：m)

圖11 節理剪切滑移區

圖12 錨桿軸力圖(單位：N)

圖13 錨桿剪力圖(單位：N)

分析可知，在穹頂開挖穩定后，為了防止穹頂二次應力釋放、外部因素擾動以及巖體蠕變導致的不穩定，應及時施加支護。通過施加直徑25 mm、間排距2 m、入巖深度8 m的錨桿，運行至平衡后，拱頂最大豎向位移限制在1 mm以內，且出現的部位仍是穹頂左側，見圖9、圖10。在施加錨桿后，節理剪切滑動區域并未進一步擴展，說明錨桿限制了節理的開展，見圖11。圖12中，錨桿軸力最大值為4.3 t，出現在穹頂偏左側，這也表明穹頂左側處豎向位移較大，錨桿受到的豎向拉力較大，但整體小于錨桿設計軸力。圖13中，錨桿的剪力主要集中在剪切滑移區，且峰值剪力主要出現在節理面，最大剪力為3.8 t。

5 結 論

運用UDEC離散元軟件模擬復雜地質條件下調壓井穹頂開挖支護過程，通過穹頂位移量、節理剪切滑移區和節理張開區云圖等綜合反映節理發育條件下調壓井穹頂開挖穩定性，較單一利用位移量判定穹頂穩定性更加合理，進一步為工程技術人員提供理論依據。