大跨度地下廠房開挖過程的數(shù)值模擬研究_圖文

1、大跨度地下廠房開挖過程的數(shù)值模擬研究1馮文文1，李守巨1，劉迎曦1，孫偉21. 大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧大連（116024）2. 大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連（116024）E-mail ：摘 要：結(jié)合白山抽水蓄能泵站工程地下廠房施工實踐，根據(jù)地下廠房洞室的布置情況和洞室圍巖為斷層和節(jié)理發(fā)育的高陡傾角軟硬相間的層狀巖體的地質(zhì)特點，針對主廠房圍巖的穩(wěn)定性分析要求，建立了準(zhǔn)確反映洞室規(guī)模和地質(zhì)特性的二維有限元計算模型，并按設(shè)計要求進行了地下廠房分步開挖與支護下的數(shù)值模擬. 本文采用非線性有限元方法模擬了地下廠房開挖過程中的應(yīng)力釋放過程和變形特性及其圍巖穩(wěn)定性。根據(jù)有限

2、元數(shù)值模擬施工開挖過程、位移分析、應(yīng)力分析以及穩(wěn)定性分析等. 研究地下廠房開挖過程中洞室圍巖變形狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)以及整體穩(wěn)定性。在不同觀測點安置多點位移計系統(tǒng)地監(jiān)測圍巖的變形特性，對于確定合理的支護類型與厚度以及控制圍巖的穩(wěn)定性是非常重要的。通過對變形現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬計算結(jié)果對比，可知設(shè)計方案是可行的。現(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)對于及時修改支護參數(shù)和開挖計劃起到了關(guān)鍵的作用，指出了在設(shè)計、施工中的注意事項, 為后續(xù)施工提供參考。 關(guān)鍵詞：地下廠房；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定；變形監(jiān)測中圖分類號：TV731.6 文獻標(biāo)識碼：A1本課題得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2007CB714006）的資助

3、。1 引言隨著我國工程建設(shè)的發(fā)展，許多工程領(lǐng)域涉及大型地下洞室的開挖問題, 如大型地下發(fā)電廠房、大型地下人防工程、大型地下機庫以及大型地下采礦等. 在建造這些地下工程時, 認真研究洞室區(qū)巖體的初始應(yīng)力場以及洞室開挖過程中圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律, 不但是判斷圍巖穩(wěn)定性的條件, 也是確定洞室圍巖加固方案的基礎(chǔ). 在確定圍巖應(yīng)力場環(huán)境的基礎(chǔ)上, 對洞室開挖過程進行仿真模擬, 可得出洞室圍巖穩(wěn)定性和圍巖變形破壞特征的規(guī)律性認識, 并對圍巖加固措施的有效性進行判斷, 實現(xiàn)開挖與支護方案的優(yōu)化. 地下洞室是處于復(fù)雜地質(zhì)條件下的建筑結(jié)構(gòu)，它受天然形成的地質(zhì)狀態(tài)(如地應(yīng)力、地下水、巖石物理力學(xué)參數(shù)等因素 和人工開

4、挖操作(如開挖方式、開挖順序等因素 影響很大。在地下廠房圍巖穩(wěn)定分析中, 施工開挖是造成圍巖應(yīng)力重分布的基本原因。因此, 對已定巖體環(huán)境下, 影響圍巖穩(wěn)定性最為顯著的就是地下廠房的開挖方式。不同的開挖程序就意味著在時空上以不同的方式對圍巖施加荷載, 從而決定施工期內(nèi)圍巖的應(yīng)力、塑性區(qū)和廠房周圍位移的分布。采用優(yōu)化合理的施工開挖方式，研究施工開挖動態(tài)過程的圍巖穩(wěn)定特性，對于加快施工速度，保證工程既穩(wěn)定又經(jīng)濟有著重大的經(jīng)濟和社會效益。對于地下廠房的模擬開挖，國內(nèi)外學(xué)者也做了一系列的研究，徐德昌等(2006在淺埋全風(fēng)化圍巖地質(zhì)條件下，采取臺階式開挖和超前小導(dǎo)管、鋼筋鋼拱架、鋼管錨桿及網(wǎng)噴混凝土的聯(lián)合

5、支護措施，安全地完成了隧洞的開挖與護1。 何鵬飛(2007采用“平面多工序, 立面多層次”的平行開挖交叉作業(yè), 自上而下分7 層進行開挖、支護2。孫紅月等(2004以地應(yīng)力實測結(jié)果為參照依據(jù), 采用線性有限元法反演分析了初始地應(yīng)力場, 采用非線性有限元方法模擬了地下廠房等主要洞室開挖施工與支護過程中的圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性狀況3。樂成等(2007采用三維非線性有限元方法對某電站地下廠房主洞室施工開挖過程進行數(shù)值模擬計算, 基于計算成果, 研究地下廠房開挖過程中洞室圍巖及巖錨吊車梁的變形狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)、屈服區(qū)分布以及整體穩(wěn)定性4。于德海等（2005）采用非線性三維有限元法, 對其動態(tài)開挖過程進行了數(shù)值

6、模擬分析, 并優(yōu)化選擇了地下采場洞室的開挖順序和開挖跨距模擬了地下洞室的三維立體結(jié)構(gòu)和動態(tài)開挖過程, 并根據(jù)圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)范圍、安全率狀況等力學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)對多種方案進行了定量分析5。張練等（2003）對地下廠房洞室圍巖的穩(wěn)定性進行了二維彈塑性有限元計算，對圍巖的應(yīng)力與變形進行了分析，探討了施加系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土等支護措施對圍巖的加固作用6。鄔愛清等（2001）采用有限元數(shù)值計算，工程巖體分析，圍巖塊體分析等分析手段對地下廠房圍巖穩(wěn)定性問題進行了研究，并對圍巖穩(wěn)定性及必要的支護措施進行了討論7。余衛(wèi)平等（2004）采用有限元方法反演某水電站地下廠房廠區(qū)初始地應(yīng)力場，對地下廠房洞室群的

7、開挖過程進行了三維彈塑性有限元模擬，提出了可以考慮抗剪作用的隱式錨桿單元和可以考慮預(yù)應(yīng)力效果隱式錨索單元8。另外還有很多學(xué)者對地下廠房的開挖模擬以及穩(wěn)定性分析做了很多研究9-13 ?，F(xiàn)場監(jiān)測是地下工程施工中的重要環(huán)節(jié)之一，也是目前國際上流行的新奧法施工的重要內(nèi)容，其目的是掌握圍巖的穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、圍巖的變形趨勢，并且以此來判斷設(shè)計、施工的安全性和經(jīng)濟性。Tezuka （2003）系統(tǒng)地回顧了日本幾座水電站地下廠房開挖過程中的支護方法和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，研究了較差地質(zhì)條件下施工大跨度地下廠房遇到的問題14。Bernard （2006）介紹了Valik 高速公路隧道開挖和建設(shè)過程中的現(xiàn)場監(jiān)

8、測和安全評估方法15。除此之外，還有大量的國內(nèi)外學(xué)者研究了地下廠房開挖過程中的合理錨桿長度、松動區(qū)的范圍和變形控制等問題16-19。但是，縱觀所見到的國內(nèi)外有關(guān)地下廠房開挖的研究文獻，以數(shù)值模擬方法研究的為多，而現(xiàn)場監(jiān)測研究的較少。本文以白山抽水蓄能泵站工程為實例，深入分析了工程區(qū)的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境條件, 建立了能夠反映研究區(qū)地貌、巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力環(huán)境條件的力學(xué)模型. 采用非線性有限元方法對地下廠房施工開挖過程進行數(shù)值模擬計算，模擬了地下廠房等主要洞室開挖施工與支護過程中的圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性狀況, 并對大跨度地下廠房開挖過程中變形進行監(jiān)測，對比數(shù)值模擬變形結(jié)果和一起監(jiān)測結(jié)果，全面論證了大型地下洞室開

9、挖方案的可行性。2 工程概況白山抽水蓄能泵站位于第二松花江上游，吉林省樺甸市境內(nèi)，系白山水電站的三期擴建工程，兩臺機組，總裝機容量為300MW ，是我國目前最大的同類工程。泵站擬建在白山大壩下游左岸地段，山體標(biāo)高為490m 510m ，地形坡度為250350。區(qū)內(nèi)河谷不甚發(fā)育，切割不深，地形較完整。區(qū)內(nèi)出露的地層，主要為前震旦系混合巖（m ），山頂分布有第四系玄武巖(QP ?；旌蠋r致密堅硬，抗風(fēng)化能力強，新鮮巖石的飽和抗壓強度為108Mpa 。在混合巖中，穿插有細?；◢忛W長巖（）、微晶角閃巖（1）、細粒角閃斜長巖（）和粗粒角閃巖（）等中基性巖脈，多沿NW 向和NNE 向延伸。巖脈寬度一般為0.

10、34m ，其中寬度較大的為細粒角閃斜長巖脈（1，2）和細?；◢忛W長巖脈（）。細粒角閃斜長巖脈出露于高程345360m 之間，走向NW320°350°，傾向NE （深部傾向SW ），傾角67°85°，寬度為917m ，巖石質(zhì)堅性脆，節(jié)理發(fā)育，完整性差，與圍巖接觸處有530cm 寬的破碎帶。細粒花崗閃長巖脈出露于4、5尾水洞出口段附近，走向NE8°56°，傾向NW （局部傾向SE ），傾角70°85°，寬度一般為2630m ，局部達80m 左右，巖質(zhì)堅硬，抗風(fēng)化能力強，但節(jié)理發(fā)育，完整性差。與圍巖接觸處有0.32.5m

11、 寬的破碎帶。地下廠房主要有機組間、主變室、副廠房、尾水洞和尾水洞等洞室。廠房長95m ，寬21.7m ，高49.5m 。拱部跨度24.5m ，最大高度15.54m 。廠房軸線為NW315°，上覆巖層厚度為90130m ，圍巖為新鮮混合巖，巖體完整，其間穿插一條微晶角閃巖（1）巖脈，巖石較破碎，寬度為0.3m ，走向與廠軸大角度斜交，傾角較陡。在兩臺機組中間的上游拱腳以下邊墻，局部穿插有F1斷層，該斷層通過部位巖體穩(wěn)定性較差。巖體中發(fā)育的NEE 向的陡傾角裂隙與廠軸呈45°75°斜交，對圍巖穩(wěn)定性影響不大，而NW320°350°一組陡傾角裂隙與

12、廠軸交角僅為5°35°，對廠房搞邊墻的穩(wěn)定不利。圖1為地下廠房及其輸水系統(tǒng)布置，圖2為白山抽水蓄能泵站工程地下廠房斷面圖；圖3為地下廠房開挖順序圖。圖1 地下廠房及其輸水系統(tǒng)布置 Fig.1 Underground powerhouse and transforming water system圖2 地下廠房斷面圖Fig2 Cross-section of powerhouse cavern圖3 地下廠房開挖順序圖Fig.3 excavation sequence of undergroundworkshop3 廠房開挖有限元模擬3.1地下廠房開挖過程的數(shù)值模擬原理地下洞室

13、開挖以前, 地層中存在初始地應(yīng)力場0, 開挖對巖體的擾動, 引起了初始地應(yīng)力和位移的變化, 即擾動應(yīng)力場和位移場。開挖后地層圍巖中的最終應(yīng)力場, 按其應(yīng)力變化的歷史則應(yīng)為:0=+ (1在有了模擬的初始地應(yīng)力場的資料以后, 下一步就是擾動應(yīng)力場的確定。目前來看, 擾動應(yīng)力場的確定牽涉到初始地應(yīng)力釋放(即所謂的“釋放荷載”和巖體自重的貢獻兩部分。對于初始地應(yīng)力釋放, 一般采用所謂的“反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法”,即以分布面力形式模擬作用于洞周邊界的地應(yīng)力, 用分布面力的釋放來代替洞周邊界上初始地應(yīng)力的釋放。對于自重貢獻, 在地應(yīng)力較高地區(qū)影響較小。當(dāng)同時考慮初始地應(yīng)力釋放和自重貢獻, 由虛功原理推導(dǎo)出用于地下

14、洞室開挖效應(yīng)分析的荷載計算公式。設(shè)具有初始地應(yīng)力為0的地層在地下洞室開挖中受體力b 的作用, 其邊界上受面力t 的作用, 按虛功原理有:0tTTTd u bd u td =(2式中u 虛功位移向量; 相應(yīng)的虛應(yīng)變向量; 計算域; t 任意以面力形式出現(xiàn)的荷載, 可為地表荷載或計算域外介質(zhì)的互相作用力等; t 作用有荷載t 的邊界部分; b 任意以體力形式出現(xiàn)的荷載, 通常為重度; 洞室開挖中引起的應(yīng)力向量的變化, 按式(1 可知：0=。在有限元中, 式(2中的位移、應(yīng)變及其相應(yīng)的虛變量部分分別為11ni ii ni ii u N d B d = (3式中 i 節(jié)點; i d 節(jié)點位移向量; i

15、 d 節(jié)點虛位移向量; i N 、i B 分別為總體形函數(shù)矩陣和總體應(yīng)變位移矩陣; n 整個計算網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點總數(shù)。將式(3代入虛功方程式(2 ,簡化后得:00b t Ka f f f = (4式中K 結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣; a 網(wǎng)格總的節(jié)點位移向量; 0f 初始地應(yīng)力的等效荷載向量; b f 、t f 分別為體力的等效荷載向量及面力的等效荷載向量。tTb Tt f N bd f N td = (5式中計算域; t 任意以面力形式出現(xiàn)的荷載, 可為地表荷載或計算域外介質(zhì)的互相作用力等; t 作用有荷載t 的邊界部分; b 任意以體力形式出現(xiàn)的荷載, 通常為重度; b f 、t f 分別為體力的等效荷載

16、向量及面力的等效荷載向量; T N 總體形函數(shù)的轉(zhuǎn)置矩陣。由此可知地下洞室的開挖計算同一般的力學(xué)分析相仿, 最終平衡方程中的荷載應(yīng)包括初始地應(yīng)力的等效荷載、體力荷載和面力荷載三個方面。在ANSYS 中, 可以用單元的“生死”來近似模擬后兩個因素。地下洞室開挖在力學(xué)上可以認為是一個應(yīng)力釋放和回彈變形問題。為了模擬開挖效應(yīng)，求得開挖洞室后圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)，可以將開挖釋放掉的應(yīng)力作為等效荷載加在開挖后洞室的周邊上，開挖施工步驟模擬方法如下：1 按照施工要求劃分開挖順序；(2按照地下廠房埋深的地質(zhì)構(gòu)造特點，進行開挖前的應(yīng)力分析，求出圍巖中的初始地應(yīng)力場0和位移場0，剛開挖前的應(yīng)力狀態(tài)可作為原始數(shù)據(jù)直接

17、輸入(3根據(jù)每次開挖的尺寸，變更有限元網(wǎng)格形狀，去掉被挖掉的單元。根據(jù)去掉單元現(xiàn)時的應(yīng)力值，求出被開挖出的自由表面各節(jié)點處，由這些單元作用的節(jié)點力。將與這些節(jié)點力大小相等、方向相反的力i P 作用于自由表面相同的節(jié)點上，這些力i P 就是等效開挖釋放荷載。(4在等效開挖釋放荷載作用下進行分析，求出該開挖步驟后，圍巖中的位移，應(yīng)變，應(yīng)力，并疊加于以前的狀態(tài)上。若不是最終開挖步驟，則重復(fù)步驟(3工作，直到最后一個開挖步驟結(jié)束為止。為了模擬支護過程，在確定離散化網(wǎng)格時，必須要考慮各步施工的情況及結(jié)構(gòu)特征。作為一個地下洞室，開挖及支護分上、下兩部分進行。首先是開挖上部，上部開挖完成后，就必須進行襯砌支

18、護，然后才能進行下部的開挖及支護。每一步開挖，即把該部分的單元作為“空單元”（即令剛度接近于零）。每一步襯砌施工，即把與該部分襯砌對應(yīng)的單元（開挖后已是“空單元”）重新賦予襯砌材料的參數(shù)。需要特別指出的是，把開挖部分以空單元取代，可能導(dǎo)致方程“病態(tài)”，因此，可同時把與被挖去的節(jié)點相對的方程從總剛度方程中消去，即令這些節(jié)點的位移等于零，并修改方程。3.2地下廠房開挖數(shù)值模擬白山抽水蓄能泵站工程地下廠房設(shè)計開挖長度95 m，最大高度50.6 m，總開挖量為82 081 m3。根據(jù)工程經(jīng)驗, 地下洞室開挖后的應(yīng)力應(yīng)變, 僅僅在洞室周圍距洞室中心 點35倍隧道開挖寬度( 或高度 的范圍內(nèi)存在實際影響21。依據(jù)工程實況, 本文計算剖面尺寸取192.81 m×230m, 地下廠房斷面尺寸如圖2所示。施工過程采用分層法: 共分六層開挖, 廠房開挖程序如圖2所示。噴射混凝土殼體厚0.4m ，材料屬性如表1所示。在施工過程中，為了巖體進行及時加固一般都會用到錨桿，這樣能夠使得圍巖具有比較好的連續(xù)性和整體性，計算過程中土體用PLAN4