發(fā)布時(shí)間：2019-10-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：地下洞室群的合理開挖方案對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性和減少支護(hù)成本有著極其重要的意義。以某地下泵站廠房開挖為工程背景，建立了三維計(jì)算模型，基于快速拉格朗日法 FLAC3D，對(duì)三種不同的開挖方案進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，對(duì)分期開挖過程中洞室圍巖的應(yīng)力
摘要：地下洞室群的合理開挖方案對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性和減少支護(hù)成本有著極其重要的意義。以某地下泵站廠房開挖為工程背景，建立了三維計(jì)算模型，基于快速拉格朗日法 FLAC3D，對(duì)三種不同的開挖方案進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，對(duì)分期開挖過程中洞室圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。提出了較優(yōu)的可變更的施工順序，為施工設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：地下洞室;FLAC3D;數(shù)值分析;開挖優(yōu)化;穩(wěn)定性分析
0 引言
大型水電工程大多處于高山峽谷之中，其地形地質(zhì)條件都十分復(fù)雜[1-3]，廠房洞室群大多建設(shè)在兩岸地下山體中[4-7]。由于大型地下洞室群結(jié)構(gòu)復(fù)雜[8-10]，且各洞室之間相互影響，不同的洞室間距、開挖順序和支護(hù)方式對(duì)地下洞室群圍巖均有重大影響。洞室群開挖存在分期分塊的特點(diǎn)，在各項(xiàng)措施中，如何選擇最經(jīng)濟(jì)有效、最安全的開挖方案，是與工程實(shí)際相結(jié)合的最優(yōu)化問題。選擇合理的開挖順序，不但可以縮短地下洞室群的施工工期，而且有利于圍巖的穩(wěn)定和減少支護(hù)成本。
本文基于 FLAC3D 數(shù)值分析軟件平臺(tái)，對(duì)地下廠房洞室群在分級(jí)開挖過程的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。為了分析洞室群開挖步序的合理性，對(duì)比研究了三種擬定開挖順序下的地下洞室群圍巖在分級(jí)開挖過程中位移場(chǎng)及圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律，揭示可能的圍巖失穩(wěn)方式及失穩(wěn)部位。
1 工程概況
某水利工程取水樞紐從取水口至出水池段，沿線長(zhǎng)約 6.2km，設(shè)計(jì)取水流量 20m3 /s，泵站裝機(jī)容量 8.4 萬(wàn) kW。包括取水口、引水隧洞(1# 隧洞)、調(diào)壓井、引水壓力管道、地下泵站、出水壓力管道、出水池建筑物。
該地下泵站廠區(qū)主要建筑物由地下泵站 (包括主泵房、副廠房和安裝間)、通風(fēng)機(jī)室、出水閥室、電纜豎井及連接洞、交通洞、通風(fēng)洞、灌漿排水廊道、地面廠區(qū)等建筑物組成。
該地下泵站圍巖巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，地下泵站系統(tǒng)以Ⅲ類圍巖為主，局部分布有Ⅳ類圍巖，以頁(yè)巖為主。主泵室部位Ⅲ類圍巖約占 85%;Ⅳ類圍巖約占 15%。下泵站范圍內(nèi)發(fā)育的裂隙有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：首先就是 NE 向陡傾角裂隙發(fā)育，其次為垂直 NE 向一組 NW 向裂隙發(fā)育，緩傾角裂隙主要為層間裂隙。結(jié)構(gòu)面多泥鈣質(zhì)充填或無(wú)充填。
主要邊墻巖性為奧陶系中統(tǒng)(02)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r;下統(tǒng)(01)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r。
邊墻大部分鉆孔巖芯多為長(zhǎng)柱狀，巖體完整性較好，圍巖為Ⅲ類。右側(cè)頂拱位置，邊墻中部及下部位置，鉆孔巖芯相對(duì)較為破碎，多為碎塊狀。此范圍內(nèi)邊墻巖體相對(duì)較為破碎，為Ⅲ~Ⅳ類圍巖。
2 FLAC3D 的基本特點(diǎn)
計(jì)算分析采用國(guó)際通用的大型三維數(shù)值計(jì)算分析軟件 FLAC3D 進(jìn)行計(jì)算。
FLAC3D 是快速拉格朗日分析方法，它采用顯式或隱式有限差分，可以模擬巖土或其它材料的力學(xué)行為。 FLAC3D 將計(jì)算區(qū)域劃分為若干四面體單元，每個(gè)單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，如果單元應(yīng)力使得材料屈服或產(chǎn)生塑性流動(dòng)，則單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形，這就是所謂的拉格朗日算法。由于采用了顯式或隱式有限差分格式來求解場(chǎng)的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，所以它可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)[11]。
3 三大開挖順序方案
根據(jù)其它工程經(jīng)驗(yàn)，地下洞室采用分層開挖，計(jì)算中應(yīng)按邊開挖、邊支護(hù)模擬，即開挖一層、支護(hù)一層，下層的開挖應(yīng)在上層支護(hù)完成后再開始。地下廠房邊墻不同高程分別與交通洞、通風(fēng)洞、泵站支洞等洞室相貫通。開挖中按照小洞貫大洞(室)即小洞提前進(jìn)入大洞的原則進(jìn)行開挖。小洞洞口先進(jìn)入廠房，進(jìn)行鎖口和系統(tǒng)支護(hù)后才能進(jìn)行廠房邊墻的開挖。主泵房分層開挖施工可考慮與出水閥室同高程開挖同步進(jìn)行和不同步錯(cuò)層施工三種方案。
本節(jié)取較有代表性的 4# 機(jī)組的模型對(duì)地下廠房洞室群在分級(jí)開挖過程的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)比給出的三種開挖方案，確定較合理的開挖順序。三種開挖方案的具體開挖順序如圖 1。將主泵房分為 6 個(gè)部分從上至下按順序開挖，出水閥室分為 2 個(gè)部分從上至下按順序開挖，其他的交通洞等作為單獨(dú)部分進(jìn)行開挖。方案 1 是主廠房，出水閥室，以及交通洞等同時(shí)開挖;方案 2 為主廠房開挖至第 4 部分后，出水閥室開始開挖，交通洞等與主廠房同時(shí)開挖;方案 3 為主廠房 6 部分開挖完成后，再進(jìn)行出水閥室的開挖，交通洞等與主廠房同時(shí)開挖。
為了進(jìn)一步說明地下廠房各工程部位在分級(jí)開挖過程中的變形特征，對(duì)該機(jī)組段的橫剖面，分別在主泵室、出水閥室中選擇洞室拱頂以及上下游邊墻中部圍巖選取關(guān)鍵點(diǎn)，計(jì)算后提取關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)的位移值。選取的關(guān)鍵點(diǎn)示意圖參見圖 2。
4 計(jì)算范圍與計(jì)算模型
建立了該工程中某一機(jī)組的三維洞室模型在FLAC3D的基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。模型包含了該機(jī)組的主泵房、出水閥室、灌漿排水廊道、泵站 1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)支洞等。其中圍巖巖體力學(xué)參數(shù)選取Ⅲ類圍巖參數(shù)，彈性模量為 27GPa，泊松比為 0.26;破碎參數(shù)選取Ⅳ類圍巖，彈性模量為 0.8GPa，泊松比取為 0.23。4# 機(jī)組三維模型共劃分 141246 個(gè)單元，27583 個(gè)節(jié)點(diǎn)。4# 機(jī)組廠房網(wǎng)格圖如圖 3 所示。
第一、二種開挖方案開挖部分 6 步進(jìn)行，第三種開挖方案開挖部分 8 部進(jìn)行，分析比較了三種不同的開挖順序時(shí)，洞室圍巖塑性區(qū)范圍如圖 4~圖 6。
根據(jù)計(jì)算，方案 1 開挖完成后，主廠房洞室圍巖塑性區(qū) 范 圍 為 4018.67m3 ， 出水閥室圍巖塑性區(qū)范圍為 1097.61m3 ，合計(jì)總塑性區(qū)為 5116.28m3 。方案 2 開挖完成后，主廠房洞室圍巖塑性區(qū)范圍為 3853.48m3 ，出水閥室圍巖塑性區(qū)范圍為 809.73m3 ，合計(jì)總塑性區(qū)為 4663.21m3 。方 3 開 挖完成后，主廠房洞室圍巖塑性區(qū)范圍為 3949.50m3 ，出水閥室圍巖塑性區(qū)范圍為 668.64m3 ，合計(jì)總塑性區(qū)為 4618.14m3 。因此可以看出，無(wú)支護(hù)條件下三種開挖順序中方案 1 的塑性區(qū)總體積較大，方案 2、方案 3 的塑性區(qū)總體積較小，對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)較小。
分別計(jì)算了三種開挖方案時(shí)，主廠房和出水閥室關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表 1。
通過表 1 可以看出方案 2、方案 3 兩種開挖順序關(guān)鍵點(diǎn)的位移值相差不大，都小于開挖方案 1，且各關(guān)鍵點(diǎn)的位移值變化規(guī)律基本一致。圍巖總體朝向開挖臨空面變形。邊墻部位變形較大，以水平變形為主，拱頂下沉，底板回彈。通過分析三種開挖方案完成后的塑性區(qū)以及關(guān)鍵點(diǎn)位移可以看出，方案 2 和方案 3 均優(yōu)于方案 1。
計(jì)算方案 2 和方案 3 每一步開挖后關(guān)鍵點(diǎn)位移可以得到：兩種不同開挖方案下在第 4 步達(dá)到最大的豎向位移，分別為 1.938mm、1.903mm。隨著開挖的繼續(xù)，主泵室洞室的頂拱均一定的回彈，在兩種開挖方案完成后分別回彈至 1.694mm、1.627mm。由于主泵室邊墻中部位置有破碎帶穿過，主泵室邊墻的位移在開挖過程中逐漸增大，位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在主泵室上游邊墻中部 ZB03 附近，方案 2 其值達(dá)到 8.237mm，略小于方案 3 的 8.727mm。
出水閥室拱頂在兩種方案下的最大位移均出現(xiàn)在各方案開挖的最后一步，方案 2 和方案 3 開挖導(dǎo)致的拱頂豎直位移差別不明顯，分別為 4.43mm 和 4.45mm，回彈過程不明顯。在三種開挖方案中，出水閥室的最大位移出現(xiàn)在下游邊墻中部，約為 5mm 以上。在方案三中，出水閥室開挖順序靠后，在主泵室開挖完成后再進(jìn)行開挖，但由于兩個(gè)洞室的距離較近，出水閥室的開挖將繼續(xù)擾動(dòng)主泵室下部的圍巖，從而使主泵室下部邊墻關(guān)鍵點(diǎn)水平位移較大。
通過分析各分期開挖方案主泵室周邊關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力變化可以看出，開挖后，洞周徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力增加。當(dāng)開挖臨近關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，由于受到開挖擾動(dòng)的影響，關(guān)鍵點(diǎn)附近應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)劇增，隨著開挖的繼續(xù)推進(jìn)，下部開挖對(duì)上部區(qū)域應(yīng)力的擾動(dòng)逐漸減弱。各關(guān)鍵點(diǎn)的最大主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，在主泵室拱頂與上游拱腳處出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力集中，其中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主泵室拱頂關(guān)鍵點(diǎn) ZB01 附近。另外，由于破碎帶的影響，主泵房下游邊墻中部也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。三種方案開挖完成后主廠房拱頂最大主應(yīng)力分別為 21.959MPa，21.658MPa，22.308MPa。開挖方案 2 拱頂?shù)膽?yīng)力集中情況比其他兩種方案略好。因此綜合來看，開挖方案 2 要優(yōu)于開挖方案 3。
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5 結(jié)論
本文建立了相應(yīng)機(jī)組的三維模型，對(duì)擬定的 3 個(gè)施工開挖順序方案從重分布應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)等 3 個(gè)主要方面進(jìn)行對(duì)比分析，三種不同開挖順序下對(duì)洞室周圍巖體的擾動(dòng)來看，方案 1 對(duì)周邊巖體擾動(dòng)較大，開挖完成后總塑性區(qū)為 5116.28m3 ，遠(yuǎn)大于其他兩種開挖方案。方案 3 由于對(duì)巖體進(jìn)行了多次擾動(dòng)，因此關(guān)鍵點(diǎn)位移以及洞室拱頂應(yīng)力集中情況比方案 2 大。因此綜合考慮塑性區(qū)、位移值和應(yīng)力值的大小，認(rèn)為開挖方案 2 比較合理。開挖方案 2 先開挖主泵室，開挖到第 4 步之后再進(jìn)行出水閥室上層的開挖，對(duì)周圍巖體擾動(dòng)較小。
本文針對(duì)大型洞室群開挖方案的優(yōu)選研究，可為類似工程地質(zhì)條件下地下廠房洞室群實(shí)現(xiàn)快速、經(jīng)濟(jì)、安全的開挖施工提供參考。
