地下廠房洞周巖體等效襯砌厚度的優(yōu)化分析

劉娟

摘 要：水電站地下廠房洞室群空間布置復雜，洞室相互交錯，同時所處地質環(huán)境存在斷層、裂隙等巖體結構面，都決定了三維有限元仿真模擬的難度。在不影響洞室群整體穩(wěn)定的前提下，為使離散模型更逼近實際，本文將噴混凝土襯砌的加固效應用其周邊巖體等效作用來代替，即把噴層混凝土的剛度和強度等效疊加到洞室邊墻的第一層單元中，模擬方法的可行性得以驗證，計算成果合理，有較好的精度，為大型地下工程的分析研究提供了科學依據。同時研究不同等效襯砌厚度對圍巖的變形及應力的影響，最后得出較優(yōu)的等效襯砌厚度。

關鍵字：地下廠房；巖體；等效襯砌；主應力；徑向位移

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A 文章編號：

電站地下廠房洞室群空間布置復雜，洞室相互交錯，同時所處地質環(huán)境存在層狀巖體以及斷層、裂隙等巖體結構面，都決定了三維有限元仿真模擬的難度。由于噴混凝土襯砌厚度很薄，只有15～30cm厚，與大型的地下洞室群整體尺寸相比，微乎其微。故在不影響洞室群整體穩(wěn)定的前提下，為使離散模型更逼近實際，常常將噴混凝土襯砌的加固效應用其周邊巖體等效作用來代替，即把噴層混凝土的剛度和強度等效疊加到洞室邊墻的第一層單元中。根據變形一致原理，該層單元的等效變形模量E和粘聚力C按以下公式計算：

其中：Er、Cr 、Ec、Cc分別為巖體和混凝土的變模、粘聚力，hr、hc分別為巖體和混凝土的厚度，E、C為巖體的等效變模、等效粘聚力。

該種對襯砌的模擬方法已成功應用于多個工程，如蟠龍抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析；瀑布溝、索風營水電站大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定及加固效果分析等，計算成果合理，有較好的精度，為大型地下工程的分析研究提供了科學依據。在midas/GTS里對該等效襯砌法的實現：將洞周等效巖體改變參數，在支護階段直接激活相應的邊界條件即可。為了研究不同等效襯砌厚度對圍巖的變形及應力的影響，建模時分別考慮了厚度為0.9m、1.5m、2.1m的等效襯砌，對結果對比分析，選取更接近實際混凝土襯砌的等效方案。

1.工程算例

（1）基本概況

某地下廠房開挖尺寸為204.70×26.70×68.50m，采用C20噴混凝土襯砌，厚15cm，錨桿：Φ28mm@1.5×1.5m，L=6/8m；掛鋼筋網：φ8mm@20×20cm。

基于對稱性，取廠房跨度的一半13.35m，厚度取半個機組段長14.5m，建立三維模型如下圖：

（2）計算規(guī)模

模型采用四節(jié)點四面體單元，共11932節(jié)點，53647個單元，其中錨桿單元數是1000。

2.計算結果分析

依照初步擬定的施工開挖順序，由上至下共分八步開挖，計算中按邊開挖、邊支護的模式，即開挖當層與支護上一層同時進行。

對比幾種工況的計算結果，無論從圍巖應力、位移、塑性區(qū)等來比較，結果都很接近，其中2.1m的等效襯砌比0.9m的等效襯砌跟實襯砌法計算結果偏離稍大，但浮動范圍有限，現取洞周四個具有代表性的特征點的計算結果（開挖完工后）參見表1、表2。

分析表1與表2不難發(fā)現，用巖體等效襯砌代替噴混凝土襯砌，對洞周的位移影響極小。0.9m厚的等效襯砌計算結果與實襯砌計算結果基本相同，2.1m等效襯砌計算結果較0.9m的產生的洞周位移要稍微小些，但總的變化幅度僅0.9%左右；圍巖應力稍有異樣，但變化變化幅度僅0.1%～5%；對于塑性區(qū)分布規(guī)律，四種方案的計算結果，開挖完工后的塑性破壞區(qū)都共同出現在洞室周邊拐角處。

采用洞室周邊巖體等效襯砌來代替噴混凝土襯砌作用，對洞室圍巖穩(wěn)定性分析起到基本相同的效應，這種模擬方法將大大減少前處理的建模工作量。

3.結語

（1）借用實例進行建模，建模時同時考慮了洞周幾種厚度的等效巖體襯砌，分別計算并對結果進行對比分析。就施工期洞室群的圍巖穩(wěn)定性而言，等效襯砌法和實襯砌法，起到基本相同的支護效應，闡明了該方法的合理性與可行性。故在水電站地下廠房施工開挖的三維非線性模型中，其襯砌支護模擬采用等效襯砌法，可以大大減少前處理工作量。

（2）本文只是做了初步探索，建模時只考慮了三種指定厚度的巖體等效襯砌，對比結果分析出更接近實際的等效厚度。若能采用非線性優(yōu)化方法迭代得出最優(yōu)的等效襯砌厚度，將是以后的研究重點。

參考文獻

[1] 李效泉、閆紅梅、張群波等.水工隧洞襯砌結構作用的探討[J].工程力學，2000（增）524-527.

[2] 張良、蔣文勝.金康水電站高壓引水隧洞襯砌設計和優(yōu)化探討[J]四川水利發(fā)電，2007.26（6）

[3] 聶衛(wèi)平、石崇.基于安全系數的大型地下洞室襯砌優(yōu)化研究.地下空間與工程學報，2013.8（4）

摘 要：水電站地下廠房洞室群空間布置復雜，洞室相互交錯，同時所處地質環(huán)境存在斷層、裂隙等巖體結構面，都決定了三維有限元仿真模擬的難度。在不影響洞室群整體穩(wěn)定的前提下，為使離散模型更逼近實際，本文將噴混凝土襯砌的加固效應用其周邊巖體等效作用來代替，即把噴層混凝土的剛度和強度等效疊加到洞室邊墻的第一層單元中，模擬方法的可行性得以驗證，計算成果合理，有較好的精度，為大型地下工程的分析研究提供了科學依據。同時研究不同等效襯砌厚度對圍巖的變形及應力的影響，最后得出較優(yōu)的等效襯砌厚度。

關鍵字：地下廠房；巖體；等效襯砌；主應力；徑向位移

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A 文章編號：

電站地下廠房洞室群空間布置復雜，洞室相互交錯，同時所處地質環(huán)境存在層狀巖體以及斷層、裂隙等巖體結構面，都決定了三維有限元仿真模擬的難度。由于噴混凝土襯砌厚度很薄，只有15～30cm厚，與大型的地下洞室群整體尺寸相比，微乎其微。故在不影響洞室群整體穩(wěn)定的前提下，為使離散模型更逼近實際，常常將噴混凝土襯砌的加固效應用其周邊巖體等效作用來代替，即把噴層混凝土的剛度和強度等效疊加到洞室邊墻的第一層單元中。根據變形一致原理，該層單元的等效變形模量E和粘聚力C按以下公式計算：

其中：Er、Cr 、Ec、Cc分別為巖體和混凝土的變模、粘聚力，hr、hc分別為巖體和混凝土的厚度，E、C為巖體的等效變模、等效粘聚力。

該種對襯砌的模擬方法已成功應用于多個工程，如蟠龍抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析；瀑布溝、索風營水電站大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定及加固效果分析等，計算成果合理，有較好的精度，為大型地下工程的分析研究提供了科學依據。在midas/GTS里對該等效襯砌法的實現：將洞周等效巖體改變參數，在支護階段直接激活相應的邊界條件即可。為了研究不同等效襯砌厚度對圍巖的變形及應力的影響，建模時分別考慮了厚度為0.9m、1.5m、2.1m的等效襯砌，對結果對比分析，選取更接近實際混凝土襯砌的等效方案。

1.工程算例

（1）基本概況

某地下廠房開挖尺寸為204.70×26.70×68.50m，采用C20噴混凝土襯砌，厚15cm，錨桿：Φ28mm@1.5×1.5m，L=6/8m；掛鋼筋網：φ8mm@20×20cm。

基于對稱性，取廠房跨度的一半13.35m，厚度取半個機組段長14.5m，建立三維模型如下圖：

（2）計算規(guī)模

模型采用四節(jié)點四面體單元，共11932節(jié)點，53647個單元，其中錨桿單元數是1000。

2.計算結果分析

依照初步擬定的施工開挖順序，由上至下共分八步開挖，計算中按邊開挖、邊支護的模式，即開挖當層與支護上一層同時進行。

對比幾種工況的計算結果，無論從圍巖應力、位移、塑性區(qū)等來比較，結果都很接近，其中2.1m的等效襯砌比0.9m的等效襯砌跟實襯砌法計算結果偏離稍大，但浮動范圍有限，現取洞周四個具有代表性的特征點的計算結果（開挖完工后）參見表1、表2。

分析表1與表2不難發(fā)現，用巖體等效襯砌代替噴混凝土襯砌，對洞周的位移影響極小。0.9m厚的等效襯砌計算結果與實襯砌計算結果基本相同，2.1m等效襯砌計算結果較0.9m的產生的洞周位移要稍微小些，但總的變化幅度僅0.9%左右；圍巖應力稍有異樣，但變化變化幅度僅0.1%～5%；對于塑性區(qū)分布規(guī)律，四種方案的計算結果，開挖完工后的塑性破壞區(qū)都共同出現在洞室周邊拐角處。

采用洞室周邊巖體等效襯砌來代替噴混凝土襯砌作用，對洞室圍巖穩(wěn)定性分析起到基本相同的效應，這種模擬方法將大大減少前處理的建模工作量。

3.結語

（1）借用實例進行建模，建模時同時考慮了洞周幾種厚度的等效巖體襯砌，分別計算并對結果進行對比分析。就施工期洞室群的圍巖穩(wěn)定性而言，等效襯砌法和實襯砌法，起到基本相同的支護效應，闡明了該方法的合理性與可行性。故在水電站地下廠房施工開挖的三維非線性模型中，其襯砌支護模擬采用等效襯砌法，可以大大減少前處理工作量。

（2）本文只是做了初步探索，建模時只考慮了三種指定厚度的巖體等效襯砌，對比結果分析出更接近實際的等效厚度。若能采用非線性優(yōu)化方法迭代得出最優(yōu)的等效襯砌厚度，將是以后的研究重點。

參考文獻

[1] 李效泉、閆紅梅、張群波等.水工隧洞襯砌結構作用的探討[J].工程力學，2000（增）524-527.

[2] 張良、蔣文勝.金康水電站高壓引水隧洞襯砌設計和優(yōu)化探討[J]四川水利發(fā)電，2007.26（6）

[3] 聶衛(wèi)平、石崇.基于安全系數的大型地下洞室襯砌優(yōu)化研究.地下空間與工程學報，2013.8（4）

摘 要：水電站地下廠房洞室群空間布置復雜，洞室相互交錯，同時所處地質環(huán)境存在斷層、裂隙等巖體結構面，都決定了三維有限元仿真模擬的難度。在不影響洞室群整體穩(wěn)定的前提下，為使離散模型更逼近實際，本文將噴混凝土襯砌的加固效應用其周邊巖體等效作用來代替，即把噴層混凝土的剛度和強度等效疊加到洞室邊墻的第一層單元中，模擬方法的可行性得以驗證，計算成果合理，有較好的精度，為大型地下工程的分析研究提供了科學依據。同時研究不同等效襯砌厚度對圍巖的變形及應力的影響，最后得出較優(yōu)的等效襯砌厚度。

關鍵字：地下廠房；巖體；等效襯砌；主應力；徑向位移

中圖分類號：TV554 文獻標志碼：A 文章編號：

電站地下廠房洞室群空間布置復雜，洞室相互交錯，同時所處地質環(huán)境存在層狀巖體以及斷層、裂隙等巖體結構面，都決定了三維有限元仿真模擬的難度。由于噴混凝土襯砌厚度很薄，只有15～30cm厚，與大型的地下洞室群整體尺寸相比，微乎其微。故在不影響洞室群整體穩(wěn)定的前提下，為使離散模型更逼近實際，常常將噴混凝土襯砌的加固效應用其周邊巖體等效作用來代替，即把噴層混凝土的剛度和強度等效疊加到洞室邊墻的第一層單元中。根據變形一致原理，該層單元的等效變形模量E和粘聚力C按以下公式計算：

其中：Er、Cr 、Ec、Cc分別為巖體和混凝土的變模、粘聚力，hr、hc分別為巖體和混凝土的厚度，E、C為巖體的等效變模、等效粘聚力。

該種對襯砌的模擬方法已成功應用于多個工程，如蟠龍抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析；瀑布溝、索風營水電站大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定及加固效果分析等，計算成果合理，有較好的精度，為大型地下工程的分析研究提供了科學依據。在midas/GTS里對該等效襯砌法的實現：將洞周等效巖體改變參數，在支護階段直接激活相應的邊界條件即可。為了研究不同等效襯砌厚度對圍巖的變形及應力的影響，建模時分別考慮了厚度為0.9m、1.5m、2.1m的等效襯砌，對結果對比分析，選取更接近實際混凝土襯砌的等效方案。

1.工程算例

（1）基本概況

某地下廠房開挖尺寸為204.70×26.70×68.50m，采用C20噴混凝土襯砌，厚15cm，錨桿：Φ28mm@1.5×1.5m，L=6/8m；掛鋼筋網：φ8mm@20×20cm。

基于對稱性，取廠房跨度的一半13.35m，厚度取半個機組段長14.5m，建立三維模型如下圖：

（2）計算規(guī)模

模型采用四節(jié)點四面體單元，共11932節(jié)點，53647個單元，其中錨桿單元數是1000。

2.計算結果分析

依照初步擬定的施工開挖順序，由上至下共分八步開挖，計算中按邊開挖、邊支護的模式，即開挖當層與支護上一層同時進行。

對比幾種工況的計算結果，無論從圍巖應力、位移、塑性區(qū)等來比較，結果都很接近，其中2.1m的等效襯砌比0.9m的等效襯砌跟實襯砌法計算結果偏離稍大，但浮動范圍有限，現取洞周四個具有代表性的特征點的計算結果（開挖完工后）參見表1、表2。

分析表1與表2不難發(fā)現，用巖體等效襯砌代替噴混凝土襯砌，對洞周的位移影響極小。0.9m厚的等效襯砌計算結果與實襯砌計算結果基本相同，2.1m等效襯砌計算結果較0.9m的產生的洞周位移要稍微小些，但總的變化幅度僅0.9%左右；圍巖應力稍有異樣，但變化變化幅度僅0.1%～5%；對于塑性區(qū)分布規(guī)律，四種方案的計算結果，開挖完工后的塑性破壞區(qū)都共同出現在洞室周邊拐角處。

采用洞室周邊巖體等效襯砌來代替噴混凝土襯砌作用，對洞室圍巖穩(wěn)定性分析起到基本相同的效應，這種模擬方法將大大減少前處理的建模工作量。

3.結語

（1）借用實例進行建模，建模時同時考慮了洞周幾種厚度的等效巖體襯砌，分別計算并對結果進行對比分析。就施工期洞室群的圍巖穩(wěn)定性而言，等效襯砌法和實襯砌法，起到基本相同的支護效應，闡明了該方法的合理性與可行性。故在水電站地下廠房施工開挖的三維非線性模型中，其襯砌支護模擬采用等效襯砌法，可以大大減少前處理工作量。

（2）本文只是做了初步探索，建模時只考慮了三種指定厚度的巖體等效襯砌，對比結果分析出更接近實際的等效厚度。若能采用非線性優(yōu)化方法迭代得出最優(yōu)的等效襯砌厚度，將是以后的研究重點。

參考文獻

[1] 李效泉、閆紅梅、張群波等.水工隧洞襯砌結構作用的探討[J].工程力學，2000（增）524-527.

[2] 張良、蔣文勝.金康水電站高壓引水隧洞襯砌設計和優(yōu)化探討[J]四川水利發(fā)電，2007.26（6）

[3] 聶衛(wèi)平、石崇.基于安全系數的大型地下洞室襯砌優(yōu)化研究.地下空間與工程學報，2013.8（4）