地下水封洞庫開挖特性數值仿真試驗研究

周琦

（浙江華東建設工程有限公司，浙江杭州 310014）

1 工程概況

福建某地下水封油庫工程，區域范圍內出露地層主要以晚侏羅系火山巖為主，早白堊系火山沉積巖次之，燕山晚期侵入的中酸性巖漿巖和脈巖分布較廣。工程區主要以花崗閃長巖為主。

地下水封洞庫洞高30m，寬20m，初擬板底高程-110m，洞庫的圍巖穩定性評價對工程項目建設尤為重要[1-4]，因此本研究利用商用軟件有限差分元FLAC3D對擬建洞庫的圍巖穩定性進行定量分析，主要研究洞庫開挖后圍巖的變形和塑性區分布特征，評價圍巖的開挖穩定性。

2 仿真試驗方法

2.1 數值模型

根據擬建洞庫主洞室設計形態及間距，在庫址區垂直主洞室軸線方向選取剖面，構建包含不同庫區相鄰主洞室的切面模型，主要研究洞庫開挖后圍巖的變形和塑性區分布規律。洞庫高30m，寬20m，間距20m，長度大于100m；洞庫底高程-110m，頂高程-80m，布置于微新花崗閃長巖巖體中。

根據實際地質條件，建立數值計算模型，如圖1所示。計算過程中，數值模型左右邊界施加水平法向約束，數值模型底部邊界施加三向約束，地表面為自由面。同時，根據地應力的實測數據，取水平向最大地應力為8.6MPa。

2.2 計算參數

仿真試驗模型由覆蓋層、全強風化巖體、弱風化巖體、微新巖體和小斷層等巖土單元組成，各巖土體單元的物理力學指標如表1 所示。

2.3 分析方法

采用FLAC3D對擬建洞庫的圍巖穩定性進行定量分析，主要包括以下步驟：

2.3.1 建立數值模型后，將所有巖土單元的本構模型均設定為理想彈性模型，并根據實測地應力生成初始地應力場；

2.3.2 將所有巖土單元的本構模型均設定為想彈塑性模型，設定邊界條件，計算獲得模型的初始狀態，并對模型的變形場和速度場進行清場；

圖1 數值仿真模型示意圖

表1 巖土體物理力學參數計算采用值

2.3.3 針對擬開挖的洞庫開展開挖仿真試驗，計算獲得開挖后整個數值模型中巖土體的變形和塑性區分布，從而對圍巖的穩定性開展定量化評價。

3 仿真試驗結果

地下洞庫開挖后總變形云圖和塑性區分布圖如圖2 和3 所示。計算結果表明：開挖后總變形量最大值為19.77 mm，發生在最外側兩排洞庫的外側邊墻。豎直向變形最大值為6.01 mm，變形主要表現為拱頂沉降變形，底板隆起變形，其中中間洞庫的變形量顯著大于兩側洞庫的變形量。水平向變形最大值為19.24 mm，變形最大值主要產生在最外側兩排洞庫的外側邊墻。塑性區發生在邊墻、拱頂和底板處，最大變形量分別是10-12 mm，2-3 mm 和2-3 mm，并且洞庫間圍巖塑性區全部呈貫通狀態。

圖2 開挖后總變形云圖

圖3 開挖后塑性區分布圖

4 結論

4.1 由于本工程洞庫巖性主要為花崗閃長巖，以II 類圍巖為代表開展分析。計算結果表明：洞庫開挖后的總變形量相對不大，開挖后總變形量最大值為19.77 mm，本工程洞庫圍巖開挖后整體失穩破壞的可能性不大。

4.2 由于本工程洞庫場址的地應力以水平向應力為主（8.6MPa），為一般自重應力的2～3 倍，地應力場的基本特點也決定了開挖變形的計算結果：總體以水平向變形為主，豎直向變形為輔。

4.3 由于本工程洞庫的設計較為緊湊，洞庫間距僅一倍洞跨（20m），計算結果均表明開挖完成后洞庫間圍巖的塑性區全部貫通，塑性區貫通后對洞庫的工程性能有一定程度的影響，需引起注意。