地下洞室開挖應(yīng)力釋放對(duì)巖錨梁力學(xué)性能影響的探析

劉娟，楊海霞

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098）

地下洞室開挖應(yīng)力釋放對(duì)巖錨梁力學(xué)性能影響的探析

劉娟1，楊海霞2

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098）

基于有限元軟件midas/GTS對(duì)某水電站地下廠房巖錨梁的施工過程進(jìn)行三維非線性有限元數(shù)值模擬，總結(jié)出巖錨梁在輪壓荷載和開挖荷載下的變形情況，并對(duì)開挖過程中巖錨梁的應(yīng)力、位移及錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析，得出對(duì)巖錨梁進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)應(yīng)充分考慮地下洞室開挖應(yīng)力釋放的影響的結(jié)論。

巖錨梁；有限元；midas/GTS；MARC；應(yīng)力；位移；錨桿應(yīng)力

某水電站地下廠房吊車梁采用巖錨梁，通常用于巖錨梁設(shè)計(jì)分析和研究其穩(wěn)定的方法主要有剛體極限平衡法、有限元法和模型試驗(yàn)法。而剛體極限平衡法，一般僅考慮吊車荷載作用，錨桿長度通過經(jīng)驗(yàn)公式來確定，未考慮洞室的施工開挖效應(yīng)以及梁體混凝土、圍巖和錨桿的協(xié)同變形，使計(jì)算結(jié)果欠合理。有限元法不僅能比較精確預(yù)測分析巖錨梁巖體結(jié)構(gòu)的變形和受力情況，而且能較準(zhǔn)確地模擬梁與巖基接觸面之間的力學(xué)性質(zhì)以及模擬施工過程，以全面評(píng)價(jià)地下廠房巖錨梁的工作性態(tài)和穩(wěn)定性。筆者采用有限元軟件midas/GTS對(duì)某水電站地下廠房巖錨梁的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)巖錨梁在輪壓荷載和開挖荷載下的變形情況，并對(duì)開挖過程中巖錨梁的應(yīng)力、位移及錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析。

1 工程概況

某水電站地下廠房開挖尺寸為204.70 m×26.70 m×68.50 m。選取2號(hào)機(jī)組段的巖錨梁建立三維非線性有限元模型并計(jì)算，巖錨梁混凝土取C25，最大輪壓720 kN，橫向水平剎車力120 kN，軌道為QU120型重120 kg/m。

2 巖錨梁三維有限元數(shù)值仿真分析

筆者根據(jù)實(shí)際施工情況，模擬在洞室開挖過程中進(jìn)行的巖錨梁吊裝運(yùn)行過程，對(duì)施工期梁的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。其中，巖錨梁的吊裝是在主廠房洞室開挖2完成后、開挖3進(jìn)行之前。模型考慮的作用因素有圍巖的初始地應(yīng)力、吊車輪壓、巖錨梁自重、軌道自重以及開挖荷載等。

2.1 巖層初始應(yīng)力計(jì)算

巖層中通常存在初始地應(yīng)力，它主要是巖、土的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果。巖層的初始應(yīng)力一般應(yīng)通過現(xiàn)場測試方法確定，本工程的巖層初始應(yīng)力用計(jì)算區(qū)回歸地應(yīng)力作為初始應(yīng)力場。

2.2 開挖過程實(shí)現(xiàn)

實(shí)際工程中巖錨梁的吊裝程序?yàn)椋合葘r錨梁位置對(duì)應(yīng)的原始巖體挖掉，再吊裝混凝土梁。應(yīng)用midas/GTS模擬這一復(fù)雜的施工過程時(shí)出現(xiàn)了異常，導(dǎo)致模擬結(jié)果不合理。筆者在對(duì)該軟件進(jìn)行深入研究后，將開挖1、2重新分布后的應(yīng)力場信息導(dǎo)入MARC里換算為等效節(jié)點(diǎn)集中力，再以節(jié)點(diǎn)集中力的形式施加于巖錨梁吊裝前的模型結(jié)點(diǎn)上，并以此作為初始條件，在GTS里模擬隨后的施工開挖過程。這就回避了“先開挖（巖體）后施加（混凝土梁）”這一復(fù)雜的施工過程，從而使結(jié)果合理化。

2.3 計(jì)算模型建立

根據(jù)對(duì)稱性，取單機(jī)組段的一半來計(jì)算，模型采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元形式，數(shù)值模型的單元數(shù)為180 942、結(jié)點(diǎn)數(shù)為40 131。計(jì)算網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 巖錨梁計(jì)算網(wǎng)格

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

分析機(jī)組中心處典型剖面的結(jié)果，各施工階段巖錨梁產(chǎn)生的變形、巖錨梁特征點(diǎn)應(yīng)力、錨桿應(yīng)力如圖2-5所示。

（1）位移。由圖2可見，在軌道自重作用下，巖錨梁的位移很小，最大僅有0.005 cm，發(fā)生在梁頂部外邊緣處；開挖3對(duì)巖錨梁位移的影響較大，合位移最大值由梁頂部轉(zhuǎn)移到梁底部與巖壁交接處。隨著后繼開挖的進(jìn)行，梁底部的位移最大值不斷增大。對(duì)比開挖8和加輪壓后機(jī)組中心面巖錨梁的合位移圖，可看出位移值變化幅度并不大，即輪壓荷載對(duì)巖錨梁位移的影響力度遠(yuǎn)小于開挖荷載對(duì)它的影響。

（2）圍巖應(yīng)力。巖錨梁只考慮自重荷載時(shí)，梁絕大區(qū)域受壓，在梁壁接觸處以及梁下開挖分界線處形成壓應(yīng)力集中區(qū)。開挖完成加輪壓荷載后，巖錨梁上主拉應(yīng)力最大的區(qū)域發(fā)生在梁頂部與巖壁接觸處，且在梁壁接觸處形成明顯的拉應(yīng)力集中區(qū)。巖錨梁上混凝土主壓應(yīng)力最大的區(qū)域發(fā)生在梁頂部軌道處，最大值為2.72 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土C25的抗壓強(qiáng)度。圍巖壓應(yīng)力最大的區(qū)域?yàn)樵瓗r錨巖臺(tái)轉(zhuǎn)折處。

圖2 部分施工階段巖錨梁合位移（cm）

根據(jù)圖3-4，得出結(jié)論：緊鄰后繼開挖荷載引起的巖錨梁應(yīng)力變化幅度最大，隨著洞室開挖加深，其對(duì)巖錨梁應(yīng)力重分布的影響力度逐漸減小。

圖3 巖錨梁特征點(diǎn)第一主應(yīng)力

圖4 巖錨梁特征點(diǎn)第三主應(yīng)力

（3）錨桿應(yīng)力。由圖5可看出，巖錨梁在軌道荷載作用下，機(jī)組中心剖面處巖錨梁錨桿應(yīng)力很小，最上面兩排錨桿受拉，最下面一排錨桿受壓，中間一排輔助錨桿受力很小。隨著后繼開挖的進(jìn)行，錨桿應(yīng)力逐漸增大，至開挖完成最上面一排錨桿拉應(yīng)力最大值達(dá)39.92 MP，下面一排受壓錨桿最大壓應(yīng)力達(dá)14.53 MP。加輪壓后，錨桿應(yīng)力繼續(xù)增大，但增大幅度很小。由此得出結(jié)論：隨廠房洞室開挖深度增加，巖錨梁錨桿逐步起作用，錨桿應(yīng)力逐漸增大，梁上輪壓荷載施加前后錨桿應(yīng)力變化幅度并不大。即錨桿應(yīng)力主要是由洞室后繼開挖產(chǎn)生的，約占到錨桿總應(yīng)力的75%以上，梁上輪壓等載荷所引起的錨桿應(yīng)力只占一小部分。

圖5 各施工階段巖錨梁錨桿應(yīng)力

3 結(jié)語

（1）由巖錨梁的有限元數(shù)值分析結(jié)果表明，輪壓作用下，巖錨梁在整體上產(chǎn)生上部外傾下沉、下部內(nèi)傾下沉的變形趨勢；開挖荷載作用下，中下部邊墻回彈引起梁附近圍巖內(nèi)傾，導(dǎo)致梁底鼻坎處呈現(xiàn)拉應(yīng)力增大趨勢。

（2）巖錨梁位移、應(yīng)力及錨桿應(yīng)力由后繼開挖荷載和梁上荷載共同作用引起，且后繼開挖荷載引起的占主要部分，梁上荷載引起的只占一小部分。因此，用有限元法研究巖錨梁的穩(wěn)定計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮洞室開挖應(yīng)力釋放的影響。

（3）模型開挖過程相對(duì)理想，沒有考慮圍巖應(yīng)力與位移的時(shí)間效應(yīng)以及巖錨梁在吊車荷載作用下的疲勞等；有限元軟件midas/GTS模擬巖錨梁吊裝前后這一復(fù)雜過程時(shí)遇到了困難，筆者針對(duì)該軟件的這一功能進(jìn)行了初步探索，這些問題都是以后研究的主要方向。

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1004-7328（2014）04-0044-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.04.016

2014-05-27

劉娟（1987-），女，碩士，助理講師，主要從事結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。