地下洞室不同開挖方案的對比分析

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(1.中原工學(xué)院，鄭州 450007；2.清華大學(xué) 水利系 北京 100084)

近年來，我國在西南、西北地區(qū)相繼開工或進入規(guī)劃設(shè)計階段的大型地下水電站日益增多，而大型水利水電樞紐大多位于高山峽谷地區(qū)，工程布置比較困難，樞紐的主要組成部分一般采用大型地下洞室的方式。由于地下洞室圍巖處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，開挖后應(yīng)力重分布情況復(fù)雜，進而影響到地下洞室的圍巖穩(wěn)定性[1-5]。目前，對于大型地下洞室開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布的研究，多是單純地研究洞室分層開挖后的應(yīng)力和位移情況。文獻[6]雖然考慮了各個開挖層之間的相互影響，但也僅限于應(yīng)力情況，并沒有分析位移和塑性區(qū)情況。本文以山東某地下水封石油洞庫工程為例，在考慮了各個開挖層之間相互影響的情況下，重點分析了洞室分層開挖后的位移和塑性區(qū)情況，并且分析了不同的開挖深度對洞室穩(wěn)定性的影響。

1 工程概述

我國已于2003年正式啟動建立石油儲備體系。目前一期4個大型地面原油儲備庫已相繼建成投用，第二期石油儲備庫已經(jīng)著手建設(shè)，其中有一部分為地下水封儲備庫[7]。山東某地下水封石油洞庫工程則為我國第二期石油儲備庫，是目前國內(nèi)首例正在實施的地下原油儲備庫項目。該工程主要由施工巷道、儲油洞室等組成。主洞室寬20 m、高30 m，每10 m為一層，分為上、中、下三層。

本文通過FLAC3D軟件，選擇兩種計算方案進行對比分析。第一種是預(yù)留底板保護層和取消底板保護層的方案對比分析，具體方案見圖1。第二種為不同開挖方案的對比分析，具體方案見圖2。

圖1 預(yù)留底板保護層和取消底板保護層方案的模型圖

圖2 不同開挖方案模型圖

2 數(shù)值分析

2.1 計算模型

為了便于分析，對于洞室模型進行了簡化。計算模型的邊界條件為：模型左側(cè)和右側(cè)限制水平方向移動，模型頂部和底部限制豎直方向移動。洞室圍巖選取Ⅲ2類巖體，計算采用的力學(xué)參數(shù)如表1所示，洞室計算模型如圖3所示。

表1 計算采用的力學(xué)參數(shù)

圖3 洞室計算模型

2.2 預(yù)留底板層和取消底板保護層方案對比分析

預(yù)留底板保護層和取消底板保護層的位移云圖分別見圖4和圖5。

圖4 預(yù)留底板保護層方案的位移云圖

圖5 取消底板保護層方案的位移云圖

由圖4和圖5可以看出：

(1)底板保護層開挖后，洞室圍巖變形最大的部位位于第二層左右邊墻處。預(yù)留底板保護層方案的邊墻最大位移為4.16 cm，而取消底板保護層方案的邊墻最大位移為3.98 cm，較預(yù)留底板保護層方案的邊墻最大位移減少了0.18 cm。

(2)底板保護層開挖后，底板圍巖變形最大的部位位于底板中部。預(yù)留底板保護層方案的底板中部最大位移為2.44 cm，而取消底板保護層方案的底板中部最大位移為1.74 cm，較預(yù)留底板保護層方案的底板中部最大位移減少了0.70 cm。

(3)底板保護層開挖后，在拱頂部位，預(yù)留底板保護層方案的最大位移為1.85 cm，而取消底板保護層方案的最大位移為1.83 cm，較預(yù)留底板保護層方案的最大位移減少了0.02 cm，變化較小。

塑性區(qū)圖分別見圖6和圖7。由圖6和圖7可以看出，底板保護層開挖后，預(yù)留底板保護層方案的底板塑性區(qū)最大深度為7 m，而取消底板保護層方案的底板塑性區(qū)最大深度為5 m，較預(yù)留底板保護層方案的最大塑性區(qū)深度減小了2 m。

圖6 預(yù)留底板保護層方案的塑性區(qū)圖

圖7 取消底板保護層方案的塑性區(qū)圖

2.3 不同開挖方案的對比分析

為了確定研究結(jié)果的規(guī)律性，又對改變第三層和第四層開挖深度的方案進行研究。底板最大位移的變化趨勢見圖8，邊墻最大位移的變化趨勢見圖9。計算沒有考慮爆破的影響。

圖8 不同開挖方案的底板最大位移變化趨勢

圖9 不同開挖方案的邊墻最大位移變化趨勢

由圖8和圖9可以看出，隨著第四層深度的增加，底板最大位移和邊墻最大位移逐漸減小。當?shù)谒膶由疃仍黾拥?0 m時(圖2(f))，底板最大位移為1.38 cm，較底板保護層為2 m的方案(圖1(a))減少了1.06 cm。

從上述各項數(shù)據(jù)比較來看，取消底板保護層開挖方案的底板位移和塑性區(qū)深度都小于預(yù)留保護層的開挖方案。

造成以上結(jié)果的原因是：洞室分層開挖，第三層開挖后，對未開挖部分已經(jīng)造成了擾動，并且未開挖部分已經(jīng)處于第三層開挖造成的塑性區(qū)內(nèi)，巖石強度降低；第四層開挖時底板下部受到擾動，而隨著第四層深度的增加，底板受擾動減小。第三層和第四層一次性開挖，底板在開挖前還沒有受到擾動，或者受到第二層開挖的擾動較小，巖石強度接近原巖強度；開挖之后，底板下部受擾動深度比分步開挖受擾動深度小。

3 結(jié) 語

(1)通過對洞室模型的數(shù)值計算，由不同方案的邊墻和底板位移及底板塑性區(qū)深度的對比分析結(jié)果可知：取消底板保護層的開挖方案優(yōu)于預(yù)留底板保護層的開挖方案，并且底板上部預(yù)留的開挖深度越大越好。

(2)模型數(shù)值計算所得的底板塑性區(qū)的深度為2～7 m，聲波測試獲得的松動圈深度為2 m。由于爆破擾動形成的松動圈為不連續(xù)介質(zhì)，巖石基本無承載能力，且容易形成滲水通道，造成底板混凝土上抬。因此，建議對地質(zhì)不良洞段底板混凝土下的松動圈和塑性區(qū)進行注漿處理，注漿深度應(yīng)為2～7 m。

(3)預(yù)留底板保護層方案與取消底板保護層方案的對比分析，采用的是概化模型，不針對具體洞段和地質(zhì)條件，計算結(jié)果可為施工單位提供參考。

參考文獻：

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[2] 張志國, 肖明, 張雨霆, 等.大型地下洞室三維彈塑性損傷動力有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010,29(5): 982-989.

[3] 黃正加, 盛謙, 吳相超, 等.江口水電站地下廠房洞室圍巖彈塑性數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002,21 (s0): 2098-2012.

[4] 楊為民, 陳衛(wèi)忠, 李術(shù)才, 等.快速拉格朗日法分析巨型地下洞室群穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報, 2005, 27(2):230-234.

[5] 張明, 孫思奧, 李仲奎, 等.地下廠房布置優(yōu)化及施工過程的顯式有限差分法數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27 (s2): 3760-3767.

[6] 邱道宏, 張樂文, 薛翊國，等.地下洞室分步開挖圍巖應(yīng)力變化特征及巖爆預(yù)測[J].巖土力學(xué),2011,32(s2):430-436.

[7] 胡德新, 程鳳君.水封洞庫中的地下水的監(jiān)測與控制[J].勘察科學(xué)技術(shù), 2009 (6): 43-45.