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文档简介

1、大跨度地下厂房开挖过程的数值模拟研究1冯文文1,李守巨1,刘迎曦1,孙伟21. 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连(116024)2. 大连理工大学机械工程学院,辽宁大连(116024)E-mail :摘 要:结合白山抽水蓄能泵站工程地下厂房施工实践,根据地下厂房洞室的布置情况和洞室围岩为断层和节理发育的高陡倾角软硬相间的层状岩体的地质特点,针对主厂房围岩的稳定性分析要求,建立了准确反映洞室规模和地质特性的二维有限元计算模型,并按设计要求进行了地下厂房分步开挖与支护下的数值模拟. 本文采用非线性有限元方法模拟了地下厂房开挖过程中的应力释放过程和变形特性及其围岩稳定性。根据有限

2、元数值模拟施工开挖过程、位移分析、应力分析以及稳定性分析等. 研究地下厂房开挖过程中洞室围岩变形状态、应力状态以及整体稳定性。在不同观测点安置多点位移计系统地监测围岩的变形特性,对于确定合理的支护类型与厚度以及控制围岩的稳定性是非常重要的。通过对变形现场监测结果和数值模拟计算结果对比,可知设计方案是可行的。现场变形观测数据对于及时修改支护参数和开挖计划起到了关键的作用,指出了在设计、施工中的注意事项, 为后续施工提供参考。 关键词:地下厂房;数值模拟;围岩稳定;变形监测中图分类号:TV731.6 文献标识码:A1本课题得到国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB714006)的资助

3、。1 引言随着我国工程建设的发展,许多工程领域涉及大型地下洞室的开挖问题, 如大型地下发电厂房、大型地下人防工程、大型地下机库以及大型地下采矿等. 在建造这些地下工程时, 认真研究洞室区岩体的初始应力场以及洞室开挖过程中围岩应力的变化规律, 不但是判断围岩稳定性的条件, 也是确定洞室围岩加固方案的基础. 在确定围岩应力场环境的基础上, 对洞室开挖过程进行仿真模拟, 可得出洞室围岩稳定性和围岩变形破坏特征的规律性认识, 并对围岩加固措施的有效性进行判断, 实现开挖与支护方案的优化. 地下洞室是处于复杂地质条件下的建筑结构,它受天然形成的地质状态(如地应力、地下水、岩石物理力学参数等因素 和人工开

4、挖操作(如开挖方式、开挖顺序等因素 影响很大。在地下厂房围岩稳定分析中, 施工开挖是造成围岩应力重分布的基本原因。因此, 对已定岩体环境下, 影响围岩稳定性最为显著的就是地下厂房的开挖方式。不同的开挖程序就意味着在时空上以不同的方式对围岩施加荷载, 从而决定施工期内围岩的应力、塑性区和厂房周围位移的分布。采用优化合理的施工开挖方式,研究施工开挖动态过程的围岩稳定特性,对于加快施工速度,保证工程既稳定又经济有着重大的经济和社会效益。对于地下厂房的模拟开挖,国内外学者也做了一系列的研究,徐德昌等(2006在浅埋全风化围岩地质条件下,采取台阶式开挖和超前小导管、钢筋钢拱架、钢管锚杆及网喷混凝土的联合

5、支护措施,安全地完成了隧洞的开挖与护1。 何鹏飞(2007采用“平面多工序, 立面多层次”的平行开挖交叉作业, 自上而下分7 层进行开挖、支护2。孙红月等(2004以地应力实测结果为参照依据, 采用线性有限元法反演分析了初始地应力场, 采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况3。乐成等(2007采用三维非线性有限元方法对某电站地下厂房主洞室施工开挖过程进行数值模拟计算, 基于计算成果, 研究地下厂房开挖过程中洞室围岩及岩锚吊车梁的变形状态、应力状态、屈服区分布以及整体稳定性4。于德海等(2005)采用非线性三维有限元法, 对其动态开挖过程进行了数值

6、模拟分析, 并优化选择了地下采场洞室的开挖顺序和开挖跨距模拟了地下洞室的三维立体结构和动态开挖过程, 并根据围岩的应力、位移、塑性区范围、安全率状况等力学稳定性指标对多种方案进行了定量分析5。张练等(2003)对地下厂房洞室围岩的稳定性进行了二维弹塑性有限元计算,对围岩的应力与变形进行了分析,探讨了施加系统锚杆和喷射混凝土等支护措施对围岩的加固作用6。邬爱清等(2001)采用有限元数值计算,工程岩体分析,围岩块体分析等分析手段对地下厂房围岩稳定性问题进行了研究,并对围岩稳定性及必要的支护措施进行了讨论7。余卫平等(2004)采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场,对地下厂房洞室群的

7、开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元8。另外还有很多学者对地下厂房的开挖模拟以及稳定性分析做了很多研究9-13 。现场监测是地下工程施工中的重要环节之一,也是目前国际上流行的新奥法施工的重要内容,其目的是掌握围岩的稳定性和支护结构的受力状态、围岩的变形趋势,并且以此来判断设计、施工的安全性和经济性。Tezuka (2003)系统地回顾了日本几座水电站地下厂房开挖过程中的支护方法和现场观测数据,研究了较差地质条件下施工大跨度地下厂房遇到的问题14。Bernard (2006)介绍了Valik 高速公路隧道开挖和建设过程中的现场监

8、测和安全评估方法15。除此之外,还有大量的国内外学者研究了地下厂房开挖过程中的合理锚杆长度、松动区的范围和变形控制等问题16-19。但是,纵观所见到的国内外有关地下厂房开挖的研究文献,以数值模拟方法研究的为多,而现场监测研究的较少。本文以白山抽水蓄能泵站工程为实例,深入分析了工程区的地质力学环境条件, 建立了能够反映研究区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型. 采用非线性有限元方法对地下厂房施工开挖过程进行数值模拟计算,模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况, 并对大跨度地下厂房开挖过程中变形进行监测,对比数值模拟变形结果和一起监测结果,全面论证了大型地下洞室开

9、挖方案的可行性。2 工程概况白山抽水蓄能泵站位于第二松花江上游,吉林省桦甸市境内,系白山水电站的三期扩建工程,两台机组,总装机容量为300MW ,是我国目前最大的同类工程。泵站拟建在白山大坝下游左岸地段,山体标高为490m 510m ,地形坡度为250350。区内河谷不甚发育,切割不深,地形较完整。区内出露的地层,主要为前震旦系混合岩(m ),山顶分布有第四系玄武岩(QP 。混合岩致密坚硬,抗风化能力强,新鲜岩石的饱和抗压强度为108Mpa 。在混合岩中,穿插有细粒花岗闪长岩()、微晶角闪岩(1)、细粒角闪斜长岩()和粗粒角闪岩()等中基性岩脉,多沿NW 向和NNE 向延伸。岩脉宽度一般为0.

10、34m ,其中宽度较大的为细粒角闪斜长岩脉(1,2)和细粒花岗闪长岩脉()。细粒角闪斜长岩脉出露于高程345360m 之间,走向NW320°350°,倾向NE (深部倾向SW ),倾角67°85°,宽度为917m ,岩石质坚性脆,节理发育,完整性差,与围岩接触处有530cm 宽的破碎带。细粒花岗闪长岩脉出露于4、5尾水洞出口段附近,走向NE8°56°,倾向NW (局部倾向SE ),倾角70°85°,宽度一般为2630m ,局部达80m 左右,岩质坚硬,抗风化能力强,但节理发育,完整性差。与围岩接触处有0.32.5m

11、 宽的破碎带。地下厂房主要有机组间、主变室、副厂房、尾水洞和尾水洞等洞室。厂房长95m ,宽21.7m ,高49.5m 。拱部跨度24.5m ,最大高度15.54m 。厂房轴线为NW315°,上覆岩层厚度为90130m ,围岩为新鲜混合岩,岩体完整,其间穿插一条微晶角闪岩(1)岩脉,岩石较破碎,宽度为0.3m ,走向与厂轴大角度斜交,倾角较陡。在两台机组中间的上游拱脚以下边墙,局部穿插有F1断层,该断层通过部位岩体稳定性较差。岩体中发育的NEE 向的陡倾角裂隙与厂轴呈45°75°斜交,对围岩稳定性影响不大,而NW320°350°一组陡倾角裂隙与

12、厂轴交角仅为5°35°,对厂房搞边墙的稳定不利。图1为地下厂房及其输水系统布置,图2为白山抽水蓄能泵站工程地下厂房断面图;图3为地下厂房开挖顺序图。图1 地下厂房及其输水系统布置 Fig.1 Underground powerhouse and transforming water system图2 地下厂房断面图Fig2 Cross-section of powerhouse cavern图3 地下厂房开挖顺序图Fig.3 excavation sequence of undergroundworkshop3 厂房开挖有限元模拟3.1地下厂房开挖过程的数值模拟原理地下洞室

13、开挖以前, 地层中存在初始地应力场0, 开挖对岩体的扰动, 引起了初始地应力和位移的变化, 即扰动应力场和位移场。开挖后地层围岩中的最终应力场, 按其应力变化的历史则应为:0=+ (1在有了模拟的初始地应力场的资料以后, 下一步就是扰动应力场的确定。目前来看, 扰动应力场的确定牵涉到初始地应力释放(即所谓的“释放荷载”和岩体自重的贡献两部分。对于初始地应力释放, 一般采用所谓的“反转应力释放法”,即以分布面力形式模拟作用于洞周边界的地应力, 用分布面力的释放来代替洞周边界上初始地应力的释放。对于自重贡献, 在地应力较高地区影响较小。当同时考虑初始地应力释放和自重贡献, 由虚功原理推导出用于地下

14、洞室开挖效应分析的荷载计算公式。设具有初始地应力为0的地层在地下洞室开挖中受体力b 的作用, 其边界上受面力t 的作用, 按虚功原理有:0tTTTd u bd u td =(2式中u 虚功位移向量; 相应的虚应变向量; 计算域; t 任意以面力形式出现的荷载, 可为地表荷载或计算域外介质的互相作用力等; t 作用有荷载t 的边界部分; b 任意以体力形式出现的荷载, 通常为重度; 洞室开挖中引起的应力向量的变化, 按式(1 可知:0=。在有限元中, 式(2中的位移、应变及其相应的虚变量部分分别为11ni ii ni ii u N d B d = (3式中 i 节点; i d 节点位移向量; i

15、 d 节点虚位移向量; i N 、i B 分别为总体形函数矩阵和总体应变位移矩阵; n 整个计算网络的节点总数。将式(3代入虚功方程式(2 ,简化后得:00b t Ka f f f = (4式中K 结构的总刚度矩阵; a 网格总的节点位移向量; 0f 初始地应力的等效荷载向量; b f 、t f 分别为体力的等效荷载向量及面力的等效荷载向量。tTb Tt f N bd f N td = (5式中计算域; t 任意以面力形式出现的荷载, 可为地表荷载或计算域外介质的互相作用力等; t 作用有荷载t 的边界部分; b 任意以体力形式出现的荷载, 通常为重度; b f 、t f 分别为体力的等效荷载

16、向量及面力的等效荷载向量; T N 总体形函数的转置矩阵。由此可知地下洞室的开挖计算同一般的力学分析相仿, 最终平衡方程中的荷载应包括初始地应力的等效荷载、体力荷载和面力荷载三个方面。在ANSYS 中, 可以用单元的“生死”来近似模拟后两个因素。地下洞室开挖在力学上可以认为是一个应力释放和回弹变形问题。为了模拟开挖效应,求得开挖洞室后围岩中的应力状态,可以将开挖释放掉的应力作为等效荷载加在开挖后洞室的周边上,开挖施工步骤模拟方法如下:1 按照施工要求划分开挖顺序;(2按照地下厂房埋深的地质构造特点,进行开挖前的应力分析,求出围岩中的初始地应力场0和位移场0,刚开挖前的应力状态可作为原始数据直接

17、输入(3根据每次开挖的尺寸,变更有限元网格形状,去掉被挖掉的单元。根据去掉单元现时的应力值,求出被开挖出的自由表面各节点处,由这些单元作用的节点力。将与这些节点力大小相等、方向相反的力i P 作用于自由表面相同的节点上,这些力i P 就是等效开挖释放荷载。(4在等效开挖释放荷载作用下进行分析,求出该开挖步骤后,围岩中的位移,应变,应力,并叠加于以前的状态上。若不是最终开挖步骤,则重复步骤(3工作,直到最后一个开挖步骤结束为止。为了模拟支护过程,在确定离散化网格时,必须要考虑各步施工的情况及结构特征。作为一个地下洞室,开挖及支护分上、下两部分进行。首先是开挖上部,上部开挖完成后,就必须进行衬砌支

18、护,然后才能进行下部的开挖及支护。每一步开挖,即把该部分的单元作为“空单元”(即令刚度接近于零)。每一步衬砌施工,即把与该部分衬砌对应的单元(开挖后已是“空单元”)重新赋予衬砌材料的参数。需要特别指出的是,把开挖部分以空单元取代,可能导致方程“病态”,因此,可同时把与被挖去的节点相对的方程从总刚度方程中消去,即令这些节点的位移等于零,并修改方程。3.2地下厂房开挖数值模拟白山抽水蓄能泵站工程地下厂房设计开挖长度95 m,最大高度50.6 m,总开挖量为82 081 m3。根据工程经验, 地下洞室开挖后的应力应变, 仅仅在洞室周围距洞室中心 点35倍隧道开挖宽度( 或高度 的范围内存在实际影响21。依据工程实况, 本文计算剖面尺寸取192.81 m×230m, 地下厂房断面尺寸如图2所示。施工过程采用分层法: 共分六层开挖, 厂房开挖程序如图2所示。喷射混凝土壳体厚0.4m ,材料属性如表1所示。在施工过程中,为了岩体进行及时加固一般都会用到锚杆,这样能够使得围岩具有比较好的连续性和整体性,计算过程中土体用PLAN4

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