地下廠房洞室群巖體蠕變特性分析

馮 洋,張志增,胡江春

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

地下廠房洞室群巖體蠕變特性分析

馮 洋,張志增,胡江春

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

巖體蠕變是大型地下工程圍巖穩(wěn)定性分析中的一項重要研究內(nèi)容,它為地下洞室群的長期穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù).本文通過對某地下廠房洞室群近期監(jiān)測資料的分析,研究了其地下洞室群的蠕變特性,一方面豐富了蠕變分析的理論和方法,另一方面可以對該地下廠房洞室群在運(yùn)行期的長期穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測.

地下工程;蠕變;穩(wěn)定性分析

近年來,隨著各種大型地下洞室群工程的興建,地下洞室群圍巖穩(wěn)定性問題受到了人們的廣泛關(guān)注[1].由于巖體本身以及地下工程的復(fù)雜性,在地下工程的設(shè)計、施工及運(yùn)行過程中,總是存在大量不可預(yù)見的因素.因此對地下洞室群穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要[2].

目前,國內(nèi)外對地下洞室圍巖蠕變特性的分析方法有很多,大致可以歸納為解析法、數(shù)值分析方法、不確定性方法等[3].隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法在研究地下洞室圍巖應(yīng)力、變形、破壞,定量評價圍巖穩(wěn)定性方面具有十分明顯的優(yōu)越性,已成為解決地下工程設(shè)計和施工問題的最有力工具[4].

由于地下工程的復(fù)雜性,圍巖蠕變分析不能依賴于單一方法,因此,依托計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行多種方法綜合評價分析,是未來發(fā)展的一種趨勢.事實(shí)上,國外學(xué)者Griggs D T早在1939年便對灰?guī)r、頁巖和砂巖等進(jìn)行了蠕變試驗(yàn)[5].此后,很多研究者相繼從各個不同方面進(jìn)行了巖石蠕變特性研究.而自20世紀(jì)50年代末起,特別是近20年來,隨著國內(nèi)許多大型工程的興建,我國同行也深入開展了對巖石蠕變特性的研究[6].徐平等對三峽花崗巖進(jìn)行了單軸蠕變試驗(yàn),認(rèn)為三峽花崗巖存在一個應(yīng)力門檻值σs,當(dāng)應(yīng)力水平低于σs時,采用廣義 Kelvin模型來描述三峽花崗巖的蠕變特性,當(dāng)應(yīng)力水平高于σs時,采用西原模型描述,并給出了相應(yīng)的蠕變參數(shù)[7];許宏發(fā)通過對軟巖進(jìn)行單軸壓縮蠕變試驗(yàn),指出軟巖的彈模隨時間的延長而降低,與強(qiáng)度的變化規(guī)律具有相似性[8];沈振中、徐志英對三峽大壩地基花崗巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變試驗(yàn),并采用Burgers模型來描述三峽大壩基巖的粘彈性性質(zhì)[9];朱定華、陳國興對南京紅層軟巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)紅層軟巖存在顯著的流變性,符合Burgers模型[10];李曉對泥巖峰后區(qū)進(jìn)行三軸壓縮蠕變試驗(yàn),首次得到了泥巖試件的峰后蠕變特性曲線[11].

本文主要對某地下廠房近期的位移監(jiān)測資料進(jìn)行分析,研究圍巖的蠕變特性,一方面可以豐富蠕變分析的理論和方法,另一方面可以對該地下廠房洞室群在運(yùn)行期的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測,保證工程在運(yùn)行期的安全運(yùn)行.

1 巖體蠕變理論

在長期荷載的作用下,工程巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、變形破壞特征均隨時間而不斷發(fā)生變化,即具有顯著的時間效應(yīng).研究巖體的蠕變特性對于合理解釋巖體工程的時效力學(xué)行為,掌握其應(yīng)力和變形規(guī)律,評價巖體與工程結(jié)構(gòu)物的長期穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性等,都具有重要的意義.

巖體蠕變是指在恒定荷載的情況下,總應(yīng)變隨時間而增長的現(xiàn)象.蠕變隨時間的延續(xù)大致分3個階段,如圖1所示.第一階段(a-b):減速蠕變階段.在此階段,應(yīng)變增加,但是應(yīng)變速率隨時間增加而減小,此時圍巖主要處于塑性變形階段.第二階段(b-c):等速蠕變階段.在此階段,應(yīng)變增加,應(yīng)變速率基本保持不變,圍巖處于穩(wěn)定塑性流變階段.第三階段(c-d):加速蠕變階段.此階段出現(xiàn)在應(yīng)力超過巖體蠕變極限應(yīng)力的條件下,特點(diǎn)是應(yīng)變速率隨時間增加而增加,并最終導(dǎo)致失穩(wěn)破壞.在地下工程中必須采取合適的支護(hù)手段,避免圍巖出現(xiàn)加速蠕變階段,促使圍巖保持穩(wěn)定.

圖1 巖體蠕變?nèi)A段

遺憾的是,等速蠕變階段何時進(jìn)入加速蠕變階段,學(xué)術(shù)界依然難以從理論上給出完美的解答.所以,當(dāng)巖體進(jìn)入等速蠕變階段,就需要預(yù)警,加強(qiáng)監(jiān)測和支護(hù).

根據(jù)應(yīng)變與時間關(guān)系的不同,蠕變可以分為2種類型:①穩(wěn)定蠕變:低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的蠕變,只經(jīng)歷第一階段蠕變(即減速蠕變階段),后期應(yīng)變趨于恒定,如圖2中的曲線B所示;②不穩(wěn)定蠕變:較高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的蠕變,應(yīng)變隨著時間增加而持續(xù)增長,可能經(jīng)歷蠕變的3個階段,如圖2中的曲線A所示.

圖2 蠕變2種類型

2 位移監(jiān)測資料的時效性分析

2.1 工程概況

某地下廠房洞室群規(guī)模巨大,主要由引水洞、主機(jī)間、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成,主機(jī)間、主變室、尾水調(diào)壓室平行布置.地下廠房位于大壩下游約350 m的山體內(nèi),水平埋深約110～300 m,垂直埋深180～350 m.廠區(qū)主要巖性為大理巖,以 III1類圍巖為主,飽和單軸抗壓強(qiáng)度為60～75 M Pa,地質(zhì)條件復(fù)雜,發(fā)育有三大斷層和4組優(yōu)勢節(jié)理,且廠區(qū)屬于極高-高地應(yīng)力級區(qū)域.不利的地質(zhì)條件、地應(yīng)力條件、巖性條件及工程結(jié)構(gòu)條件的組合,對地下廠房洞室群的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).

2.2 監(jiān)測資料的分析方法

本文根據(jù)監(jiān)測資料(監(jiān)測數(shù)據(jù)截止2011年3月5日),重點(diǎn)分析了2010年11月4日至2011年1月4日和2011年1月4日至2011年3月5日的位移監(jiān)測資料.

根據(jù)時間-位移曲線圖的走勢和位移日增量(又稱為位移增速、位移曲線斜率)的大小,對多點(diǎn)位移計的每個測點(diǎn)進(jìn)行分析,將其蠕變特性分為3類:

(1)位移穩(wěn)定型.該類型的時間-位移曲線接近水平,位移隨著時間增加而基本恒定,也可能因?yàn)橹ёo(hù)的作用而使得位移隨著時間增加而減小.位移穩(wěn)定型表示該測點(diǎn)屬于穩(wěn)定蠕變,安全性高.具體分類時,只要位移日增量不超過0.002 8 mm(對應(yīng)的位移年增量是1 mm)的測點(diǎn)都劃分為位移穩(wěn)定型.

(2)等速蠕變型.該類型對應(yīng)典型蠕變曲線的第二階段(等速蠕變階段),位移隨時間增加而持續(xù)增加,并且位移增速基本保持不變,此時,圍巖處于穩(wěn)定塑性流變階段.等速蠕變型表示該測點(diǎn)屬于不穩(wěn)定蠕變,安全性低.如果不加強(qiáng)支護(hù),隨時可能進(jìn)入蠕變第三階段(加速蠕變階段)而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn),所以我們對這個類型的測點(diǎn)提出預(yù)警.

(3)減速蠕變型.該類型對應(yīng)典型蠕變曲線的第一階段(減速蠕變階段),位移隨時間增加而增加,但是位移增速隨時間增加而減小.該階段一般發(fā)生在從巖體開挖至之后幾個月內(nèi).由于該階段既可能轉(zhuǎn)入蠕變第二階段(等速蠕變階段),也可能進(jìn)入位移恒定階段,并且該階段往往持續(xù)幾個月的時間,所以對該類型的測點(diǎn)需要繼續(xù)觀察.

需要指出的是,在開挖和支護(hù)等工程擾動的情況下,上述3種類型可能互相轉(zhuǎn)換.工程實(shí)踐中,我們總是對等速蠕變型的區(qū)域加強(qiáng)支護(hù),促使其向位移穩(wěn)定型轉(zhuǎn)換.

2.3 典型監(jiān)測斷面變形時效分析

本文以一典型斷面(廠縱0+126.8斷面)為例,對該斷面的位移監(jiān)測資料進(jìn)行分析.該監(jiān)測斷面貫穿主廠房、主變室和1號尾調(diào)室,其中主廠房安裝有10套多點(diǎn)位移計;主變室安裝有6套多點(diǎn)位移計;1號尾調(diào)室安裝有5套多點(diǎn)位移計.各儀器測點(diǎn)空間分布如圖3所示,位移資料統(tǒng)計及分析如表1所示.

圖3 廠縱0+126.8斷面各儀器測點(diǎn)測值空間分布

表1 廠縱0+126.8斷面位移監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表

續(xù)表1

由表1可以看出,主廠房監(jiān)測斷面穩(wěn)定性好,無測點(diǎn)屬于等速蠕變型.主廠房監(jiān)測斷面下游邊墻EL 1653部位M6ZCF4-1的L 5和孔口測點(diǎn)屬于減速蠕變型,需要繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測.主廠房監(jiān)測斷面其他點(diǎn)位移計各測點(diǎn)均屬于位移穩(wěn)定型.由以上結(jié)果可知,主廠房監(jiān)測斷面整體穩(wěn)定性好、安全性高;下游邊墻 EL 1653部位的穩(wěn)定性需要加強(qiáng)監(jiān)測.

主變室監(jiān)測斷面,無測點(diǎn)屬于等速蠕變型.下游拱腳部位 M4PS1-16的 L 1測點(diǎn),下游邊墻 EL 1668部位M4PS2-8的 L 1、L 3、L4 測點(diǎn) ,下游邊墻 EL1653 部位M4ZBS4-3的所有測點(diǎn)屬于減速蠕變型,需要繼續(xù)觀察其發(fā)展趨勢.主變室監(jiān)測斷面其他多點(diǎn)位移計各測點(diǎn)均屬于位移穩(wěn)定型.根據(jù)以上結(jié)果,主變室監(jiān)測斷面的頂拱及上游邊墻穩(wěn)定性好、安全性高;下游拱腳和下游邊墻的穩(wěn)定性差、安全性低,是需要加強(qiáng)監(jiān)測和支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域.

1號尾調(diào)室監(jiān)測斷面,屬于等速蠕變型,需要預(yù)警的測點(diǎn)有頂拱M4TYS4-2的孔口測點(diǎn).主變室監(jiān)測斷面上無測點(diǎn)屬于減速蠕變型,其他多點(diǎn)位移計各測點(diǎn)均屬于位移穩(wěn)定型.由以上結(jié)果可知,1號尾調(diào)室監(jiān)測斷面整體穩(wěn)定性好、安全性高;拱頂部位的穩(wěn)定性差、安全性低,是需要加強(qiáng)監(jiān)測和支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域.

3 結(jié) 語

針對某地下廠房洞室群的長期穩(wěn)定性問題,進(jìn)行了監(jiān)測資料的蠕變性分析研究.主要結(jié)論如下:

(1)研究了位移監(jiān)測的分析方法,根據(jù)時間-位移曲線圖的走勢和位移日增量的大小,將巖體蠕變特性分為三類:位移穩(wěn)定型、等速蠕變型和減速蠕變型.

(2)該地下廠房在運(yùn)行期的整體穩(wěn)定性較高.分析其原因,應(yīng)該是隨著支護(hù)和灌漿工作的深入,松動圈逐步向承載圈轉(zhuǎn)化,錨固和灌漿的支護(hù)加固體系開始聯(lián)合發(fā)揮積極的作用.

(3)對于仍然處于減速蠕變型和等速蠕變型的區(qū)域,需要加強(qiáng)監(jiān)測和支護(hù).

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[2]谷兆祺,彭寧拙,李仲奎.地下洞室工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994.

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Study on the Creep Property of Underground Powerhouse Cavities

FENG Yang,ZHANG Zhi-zeng,HU Jiang-chun
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Rock creep is very important research content of the surrounding rock stability analysis in a large underground engineering.It provides theoretical foundation for long-term stability and reliability study of the underground cavities.Thispaper analyzes the recentmonitoring data and studies the underground cavitiescreep properties,enriches creep analysis theory and method,and also analyses and forecast underground workshop cavities stability of operation period.

underground engineering;creep;stability analysis

U 453.2

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.03.001

1671-6906(2011)03-0001-05

2011-05-20

國家自然科學(xué)基金面上項目(51074196)

馮 洋(1987-),男,河南焦作人,本科生;指導(dǎo)教師:張志增(1981-),男,河南安陽人,講師,博士.