地下洞室開挖數值模擬分析

曾新發

(湖南城市學院城市管理學院，湖南益陽 413000)

0 引言

地下洞室在開挖過程中，由于應力釋放而引起主應力差的變化，對洞室圍巖應力及變形產生不利影響，進而可能會導致洞室圍巖失穩［1-3］。

1 有限元數值分析

本文基于經典Drucker-Prager(D-P)屈服準則的函數關系［4，5］，研究了主應力的變化對安全強度儲備系數的影響。建立三維有限元模型，結合某洞室特點，對其開挖施工過程中圍巖的應力、變形及關鍵點安全系數進行了計算分析，評價了該洞室因開挖造成的穩定性問題。針對開挖過程中，局部點安全系數偏小的情況，通過三個混凝土二次襯砌方案的比選，得出最優支護方案，為地下洞室開挖及支護方案提供借鑒。

1.1 工程概況及三維模型

圖1 地下洞室布置及斷層位置示意圖

圖2 洞室開挖步驟示意圖

某水電站尾水建筑物包括尾水支洞、尾水閘門室、尾水井、尾水隧洞、出口檢修閘門室和尾水渠，按三機一調一尾格局布置，共布置九條尾水支洞，地質構造包括Ⅲ級斷層F20，F21，F22，如圖1所示。

圖3 典型斷面X=-225.97 m上關鍵點位置示意圖

圖4 關鍵點小主應力隨開挖進行的動態變化曲線

三維計算模型共劃分單元184 336個，節點38 954個，采用位移邊界，實體單元模擬，地下洞室布置以及斷層位置示意圖如圖1所示。洞室總共分38步開挖，尾水支洞和尾水隧洞均分三層開挖，根據設計順序錯動開挖，井身及五洞叉口開挖步驟示意圖如圖2所示，開挖順序為:A1，A2，…，A7，C1，B1，B2，…，B15，C2，C3，C4。

1.2 施工期開挖成果分析

選取典型斷面，對洞室在開挖過程中圍巖動態穩定性進行研究。典型斷面上，各個關鍵點位置如圖3所示。各關鍵點小主應力(拉正壓負)、安全系數隨開挖步的動態變化曲線如圖4，圖5所示。

圖5 關鍵點安全系數隨開挖進行的動態變化曲線

由圖4不難看出，當開挖高程達到該關鍵點所處的高程時，小主應力突然變大，呈現出階梯狀跳躍式變化，局部區域出現拉應力，在關鍵點下3處，最大拉應力1.10 MPa。

由圖5可以看出，關鍵點安全系數隨開挖步的進行而不斷降低，當開挖高程達到該關鍵點所處的高程時，該點的安全系數呈現出斷崖式下降，局部位置的安全系數小于規范的要求，如表1所示。

表1 動態施工時安全系數小于規范要求關鍵點統計

此外，井上部關鍵點的安全系數在開挖初期降幅最大，而中部關鍵點的安全系數最小值發生在開挖中期，約為開挖總步的一半;開挖后期，下部關鍵點的安全系數取得最小值，這表明，隨著開挖的不斷進行，洞室圍巖的失穩過程是由頂部向底部不斷地來擴展。

2 二次襯砌后穩定性分析

針對上述個別關鍵點安全系數不滿足規范要求的情況實施二次混凝土襯砌支護?；炷烈r砌分別澆筑至高程583.3 m，613.5 m，625.50 m三個方案進行模擬對比計算。

圖6 不滿足規范要求點安全系數隨襯砌高程變化情況

經二次襯砌后，典型斷面上各關鍵點安全系數的變化見圖6。由圖可知，當二次襯砌高程低于關鍵點所處高程，該關鍵點安全系數基本不變;當二次襯砌高程大于關鍵點所處高程，該關鍵點安全系數增大明顯，且均大于1.05，滿足規范要求。

關鍵點中1安全系數變化最小，當混凝土澆筑至625.5 m時，安全系數才達到1.07。通過上述幾個方案數值計算和比選，混凝土澆筑至625.5 m高程方能完全滿足圍巖穩定要求，因此，這一方案是最安全合理的方案。

3 結語

1)采用D-P準則，對地下洞室群開挖施工造成的圍巖穩定性問題進行模擬分析，結果表明，當洞室開挖至某關鍵點而導致該點圍巖突然卸荷時，該點小主應力表現為驟升，該點安全系數表現為驟降，說明主應力差突變對圍巖穩定極為不利。

2)開挖過程中，圍巖整體穩定，隨開挖的進行，關鍵點小主應力持續增加，安全系數逐漸減小，洞室圍巖潛在的失穩過程是由頂部向底部不斷擴展，洞室拐角點和斷層切割部位的少數關鍵點安全系數小于規范規定要求。

3)當二次襯砌高程大于關鍵點所處高程時，該關鍵點安全系數增大明顯，且均大于1.05，滿足規范穩定要求。通過方案比選，當混凝土澆筑至625.5 m高程時，滿足圍巖穩定要求，為合理方案。

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