大跨度地下廠房開挖過(guò)程的數(shù)值模擬研究_圖文

1、大跨度地下廠房開挖過(guò)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連（116024）2. 大連理工大學(xué)機(jī)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(shí)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(diǎn)，針對(duì)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(jì)算模型，并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了地下廠房分步開挖與支護(hù)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(guò)程中的應(yīng)力釋放過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)點(diǎn)安置多點(diǎn)位移計(jì)系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)圍巖的變形特性，對(duì)于確定合理的支護(hù)類型與厚度以及控制圍巖的穩(wěn)定性是非常重要的。通過(guò)對(duì)變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可知設(shè)計(jì)方案是可行的?，F(xiàn)場(chǎng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于及時(shí)修改支護(hù)參數(shù)和開挖計(jì)劃起到了關(guān)鍵的作用，指出了在設(shè)計(jì)、施工中的注意事項(xiàng), 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(cè)中圖分類號(hào)：TV731.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1本課題得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項(xiàng)目（2007CB714006）的資助

3、。1 引言隨著我國(guó)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(wèn)題, 如大型地下發(fā)電廠房、大型地下人防工程、大型地下機(jī)庫(kù)以及大型地下采礦等. 在建造這些地下工程時(shí), 認(rèn)真研究洞室區(qū)巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)以及洞室開挖過(guò)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(chǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上, 對(duì)洞室開挖過(guò)程進(jìn)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(rèn)識(shí), 并對(duì)圍巖加固措施的有效性進(jìn)行判斷, 實(shí)現(xiàn)開挖與支護(hù)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(duì)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(shí)空上以不同的方式對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)程的圍巖穩(wěn)定特性，對(duì)于加快施工速度，保證工程既穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)有著重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。對(duì)于地下廠房的模擬開挖，國(guó)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(tái)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(hù)措施，安全地完成了隧洞的開挖與護(hù)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(jìn)行開挖、支護(hù)2。孫紅月等(2004以地應(yīng)力實(shí)測(cè)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(chǎng), 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(hù)過(guò)程中的圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性狀況3。樂(lè)成等(2007采用三維非線性有限元方法對(duì)某電站地下廠房主洞室施工開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算, 基于計(jì)算成果, 研究地下廠房開挖過(guò)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(duì)其動(dòng)態(tài)開挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值

6、模擬分析, 并優(yōu)化選擇了地下采場(chǎng)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(dòng)態(tài)開挖過(guò)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(duì)多種方案進(jìn)行了定量分析5。張練等（2003）對(duì)地下廠房洞室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了二維彈塑性有限元計(jì)算，對(duì)圍巖的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析，探討了施加系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土等支護(hù)措施對(duì)圍巖的加固作用6。鄔愛清等（2001）采用有限元數(shù)值計(jì)算，工程巖體分析，圍巖塊體分析等分析手段對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究，并對(duì)圍巖穩(wěn)定性及必要的支護(hù)措施進(jìn)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(chǎng)，對(duì)地下廠房洞室群的

7、開挖過(guò)程進(jìn)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(duì)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 。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是地下工程施工中的重要環(huán)節(jié)之一，也是目前國(guó)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、圍巖的變形趨勢(shì)，并且以此來(lái)判斷設(shè)計(jì)、施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。Tezuka （2003）系統(tǒng)地回顧了日本幾座水電站地下廠房開挖過(guò)程中的支護(hù)方法和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)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(wèn)題14。Bernard （2006）介紹了Valik 高速公路隧道開挖和建設(shè)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)

8、測(cè)和安全評(píng)估方法15。除此之外，還有大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了地下廠房開挖過(guò)程中的合理錨桿長(zhǎng)度、松動(dòng)區(qū)的范圍和變形控制等問(wèn)題16-19。但是，縱觀所見到的國(guó)內(nèi)外有關(guān)地下廠房開挖的研究文獻(xiàn)，以數(shù)值模擬方法研究的為多，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究的較少。本文以白山抽水蓄能泵站工程為實(shí)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(duì)地下廠房施工開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬了地下廠房等主要洞室開挖施工與支護(hù)過(guò)程中的圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性狀況, 并對(duì)大跨度地下廠房開挖過(guò)程中變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比數(shù)值模擬變形結(jié)果和一起監(jiān)測(cè)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(kuò)建工程，兩臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為300MW ，是我國(guó)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(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，新鮮巖石的飽和抗壓強(qiáng)度為108Mpa 。在混合巖中，穿插有細(xì)粒花崗閃長(zhǎng)巖（）、微晶角閃巖（1）、細(xì)粒角閃斜長(zhǎng)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(xì)粒角閃斜長(zhǎng)巖脈（1，2）和細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖脈（）。細(xì)粒角閃斜長(zhǎng)巖脈出露于高程345360m 之間，走向NW320°350°，傾向NE （深部?jī)A向SW ），傾角67°85°，寬度為917m ，巖石質(zhì)堅(jiān)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(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖脈出露于4、5尾水洞出口段附近，走向NE8°56°，傾向NW （局部?jī)A向SE ），傾角70°85°，寬度一般為2630m ，局部達(dá)80m 左右，巖質(zhì)堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，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(jī)組間、主變室、副廠房、尾水洞和尾水洞等洞室。廠房長(zhǎng)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(tái)機(jī)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(chǎng)0, 開挖對(duì)巖體的擾動(dòng), 引起了初始地應(yīng)力和位移的變化, 即擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。開挖后地層圍巖中的最終應(yīng)力場(chǎng), 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(chǎng)的資料以后, 下一步就是擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的確定。目前來(lái)看, 擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)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(xiàn)兩部分。對(duì)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(lái)代替洞周邊界上初始地應(yīng)力的釋放。對(duì)于自重貢獻(xiàn), 在地應(yīng)力較高地區(qū)影響較小。當(dāng)同時(shí)考慮初始地應(yīng)力釋放和自重貢獻(xiàn), 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(jì)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(jì)算域; t 任意以面力形式出現(xiàn)的荷載, 可為地表荷載或計(jì)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(diǎn); i d 節(jié)點(diǎn)位移向量; i

15、 d 節(jié)點(diǎn)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(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。將式(3代入虛功方程式(2 ,簡(jiǎn)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(diǎn)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(jì)算域; t 任意以面力形式出現(xiàn)的荷載, 可為地表荷載或計(jì)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(jì)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(gè)方面。在ANSYS 中, 可以用單元的“生死”來(lái)近似模擬后兩個(gè)因素。地下洞室開挖在力學(xué)上可以認(rèn)為是一個(gè)應(yīng)力釋放和回彈變形問(wèn)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(diǎn)，進(jìn)行開挖前的應(yīng)力分析，求出圍巖中的初始地應(yīng)力場(chǎng)0和位移場(chǎng)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(shí)的應(yīng)力值，求出被開挖出的自由表面各節(jié)點(diǎn)處，由這些單元作用的節(jié)點(diǎn)力。將與這些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(gè)開挖步驟結(jié)束為止。為了模擬支護(hù)過(guò)程，在確定離散化網(wǎng)格時(shí)，必須要考慮各步施工的情況及結(jié)構(gòu)特征。作為一個(gè)地下洞室，開挖及支護(hù)分上、下兩部分進(jìn)行。首先是開挖上部，上部開挖完成后，就必須進(jìn)行襯砌支

18、護(hù)，然后才能進(jìn)行下部的開挖及支護(hù)。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(duì)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(shí)把與被挖去的節(jié)點(diǎn)相對(duì)的方程從總剛度方程中消去，即令這些節(jié)點(diǎn)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(jì)開挖長(zhǎng)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(yàn), 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(diǎn)35倍隧道開挖寬度( 或高度 的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響21。依據(jù)工程實(shí)況, 本文計(jì)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(guò)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(guò)程中，為了巖體進(jìn)行及時(shí)加固一般都會(huì)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(jì)算過(guò)程中土體用PLAN4