節(jié)理巖體大型地下洞室群開挖支護(hù)過(guò)程離散元分析

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(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

節(jié)理巖體中各種不同類型或組合的不連續(xù)面決定了地下洞室失穩(wěn)破壞的基本形態(tài)[1]。為限制巖體的變形破壞，錨桿通常作為地下洞室施工過(guò)程中的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨桿施作后主要發(fā)揮懸吊作用和抗剪作用，錨桿的抗拔能力及其自身強(qiáng)度決定了對(duì)其圍巖失穩(wěn)的控制效果。目前分析錨桿的錨固作用普遍采用錨桿單元法[2]和等效連續(xù)法[3]。錨桿單元法是將錨桿膠結(jié)于巖體單元上，膠結(jié)面性質(zhì)通常用庫(kù)倫滑移模型表示，因此可反映錨桿與圍巖的相互作用。但也有研究認(rèn)為，采用桿單元模型計(jì)算得到的錨桿支護(hù)作用甚小，反映不出大量工程實(shí)踐所揭示的錨桿對(duì)巖體的強(qiáng)有力的支護(hù)效果[4]。等效連續(xù)法不具體模擬每根錨桿，而是將施錨后圍巖的力學(xué)特性代入計(jì)算模型中。其中一種途徑是建立加錨巖體的本構(gòu)關(guān)系。

李術(shù)才等[3]應(yīng)用加錨斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷模型模擬錨桿的支護(hù)效應(yīng)。張玉軍和劉誼平[5]建立了加錨巖體的本構(gòu)方程和破壞準(zhǔn)則。等效連續(xù)法另一種途徑是將加錨巖體變形、強(qiáng)度參數(shù)作等效處理，但參數(shù)的選取卻是難點(diǎn)。朱維申和任偉中[6]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了節(jié)理巖體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨錨桿參數(shù)變化規(guī)律。侯朝炯和勾攀峰[7]通過(guò)大尺寸的模型試驗(yàn)研究了不同錨桿密度下巖體的峰值、殘余強(qiáng)度特性。上述錨桿加固研究均是基于連續(xù)介質(zhì)分析方法，涉及到非連續(xù)介質(zhì)分析方法鮮有報(bào)道。非連續(xù)介質(zhì)分析方法將巖塊和節(jié)理面分開考慮，可以模擬節(jié)理面相對(duì)滑移。實(shí)際上，節(jié)理巖體中施加錨桿主要是為了增強(qiáng)節(jié)理面強(qiáng)度。因此本文以大崗山地下洞室群為依托工程，采用離散元法模擬節(jié)理巖體地下洞室錨桿開挖支護(hù)過(guò)程，研究錨桿對(duì)不同巖體結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力狀態(tài)、損傷區(qū)改善作用，對(duì)關(guān)鍵塊體阻滑作用，揭示節(jié)理巖體洞室開挖支護(hù)過(guò)程中錨桿加固機(jī)理。

2 工程概況

大崗山水電站地下廠房系統(tǒng)由主廠房、主變室和尾調(diào)室3大洞室組成，按軸線方向N55°E“一”字形平行布置，巖柱厚度47.50 m。主廠房開挖(長(zhǎng)×寬×高)尺寸為206.00 m×30.80 m× 73.78 m，主變室開挖尺寸144.00 m ×18.80 m ×25.10 m(長(zhǎng)×寬×高)。3大洞室分9步進(jìn)行開挖。具體施工開挖步及開挖高程如圖1所示。每開挖一層即施加相應(yīng)系統(tǒng)錨桿和錨索。

錨桿：分別有直徑Φ28 mm、長(zhǎng)6 m和直徑Φ32 mm、長(zhǎng)9 m的預(yù)應(yīng)力150 kN 2種類型錨桿，矩形交錯(cuò)布置，Ⅱ類圍巖中錨桿間距1.5 m。

錨索：I型錨索有長(zhǎng)L=15 m、預(yù)應(yīng)力T=1 500 kN和長(zhǎng)L=20 m預(yù)應(yīng)力、T=1 800 kN 2種類型，矩形布置于主廠房中上部和尾調(diào)室中部，間距4.0 m；主變室兩側(cè)邊墻與廠房和尾調(diào)室布置3排II型對(duì)穿錨索，其長(zhǎng)L=48 m、預(yù)應(yīng)力T=1 800 kN。

巖體質(zhì)量總體以II類巖體為主，局部洞段為III類圍巖。主要發(fā)育①近SN/E∠60°～80°;②N15°W/SW∠65°～80°;③N15°～30°E/NW∠60°～70°;④近EW/N(或S)∠60°～80°;⑤N40°～65°E/NW∠70°～85°;⑥N40°～65°E/SE∠40°～55°等6組裂隙。

圖1 地下廠房洞室群施工分層開挖方案(開挖高程)

3 洞室群開挖支護(hù)的離散元模擬

3.1 模型范圍與計(jì)算條件

圖2(a)為地下洞室群離散元計(jì)算模型。模型y軸為鉛直方向，向上為正，x軸與廠房軸線垂直，向右方向?yàn)檎?z軸沿廠房軸線，由里指向外為正。在距洞室開挖面100 m范圍內(nèi)設(shè)置3組節(jié)理模型，分別為緩傾-中傾組合、緩傾-陡傾組合、傾-陡傾組合，節(jié)理間距為4 m，見圖2(b)。3組節(jié)理模型分別為地下廠房區(qū)A,B,C段較不利的節(jié)理面組合形式[8]。

圖2 地下洞室群計(jì)算模型和節(jié)理分布模型標(biāo)志

巖體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，節(jié)理采用庫(kù)侖滑移模型。巖體彈性模量25 GPa，密度2 650 kg/m3，泊松比0.25，摩擦角55°，凝聚力3 MPa，抗拉強(qiáng)度0.1 MPa。節(jié)理法向、切向剛度分別為18,7 GPa/m，摩擦角50°。

錨桿和錨索支護(hù)布置見圖3。錨桿彈性模量98 GPa，極限拉力0.548 MN，錨索彈性模量200 GPa，極限拉力2.6 MN。由于離散元灌漿材料模型不考慮摩擦角，只計(jì)凝聚力，故根據(jù)地應(yīng)力水平將灌漿材料摩擦阻力等效為凝聚力，總凝聚力取為0.6 MN/m。

圖3 系統(tǒng)錨桿和錨索支護(hù)布置

應(yīng)力場(chǎng)由巖體自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力2部分組成，垂直于洞室軸向的水平向側(cè)壓力系數(shù)為0.6，平行于洞室軸向的水平側(cè)壓力系數(shù)為1.4。應(yīng)力場(chǎng)施加完畢后將巖體位移、節(jié)理位移清0，然后再進(jìn)行洞室開挖支護(hù)計(jì)算。施加錨桿(索)預(yù)應(yīng)力時(shí)，先將錨桿(索)兩端錨固，將中間部位作為自由段，該段灌漿總凝聚力取為0；完成一定步數(shù)計(jì)算讓錨桿預(yù)應(yīng)力與圍巖應(yīng)力相互平衡，相當(dāng)于模擬預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程；然后再進(jìn)行“灌漿”，即恢復(fù)自由段灌漿凝聚力。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 變形特征

圖4為各方案洞室群開挖后位移矢量及節(jié)理變形圖，其中灰線為圍巖位移，黑線為節(jié)理剪切位移、黑線粗細(xì)表征量值的大小。

由圖知，開挖支護(hù)完成后，由于結(jié)構(gòu)面傾角小于摩擦角，方案1圍巖變形主要為卸荷回彈，量值達(dá)到34.7 mm。方案2和方案3圍巖最大變形分別為58，60 mm，主要由2部分組成：一部分為卸荷回彈，指向臨空面；另一部分為沿順傾節(jié)理滑移變形。雖方案2和方案3的變形比方案1大，但高邊墻上關(guān)鍵塊體并未從邊墻上脫落，且位移量級(jí)屬厘米級(jí)，說(shuō)明錨桿對(duì)方案2和方案3節(jié)理起到了加固作用，提高了關(guān)鍵塊體的安全系數(shù)。

圖4 圍巖位移矢量及節(jié)理變形

盡管錨桿發(fā)揮了加固作用，方案2和方案3高邊墻處節(jié)理最大剪切變形仍達(dá)30.9 mm和36.7 mm，這與錨桿作用機(jī)制有關(guān)。穿過(guò)結(jié)構(gòu)面的錨桿是在結(jié)構(gòu)面相對(duì)錯(cuò)動(dòng)情況下新增軸向拉應(yīng)力，此力就是錨桿作用在外部滑動(dòng)巖體的支護(hù)作用力。在錨桿未屈服情況下，結(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)越大，錨桿支護(hù)力越大。因此錨桿對(duì)節(jié)理巖體變形控制效果受限于錨桿作用機(jī)制，并非是錨桿單元法反映不出錨桿支護(hù)作用。

3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)特征

由于節(jié)理面滑動(dòng)，方案2、方案3高邊墻關(guān)鍵塊體應(yīng)力基本上完全釋放(圖5)。這也表明錨桿對(duì)應(yīng)力狀態(tài)影響作用是有限的，因?yàn)殄^桿的加固作用隨著節(jié)理相對(duì)錯(cuò)動(dòng)逐步發(fā)揮的，此時(shí)應(yīng)力已經(jīng)伴隨位移發(fā)展而發(fā)生了調(diào)整。如果將加錨巖體變形、強(qiáng)度參數(shù)作等效處理輸入數(shù)值計(jì)算中，那么就意味著錨桿一開始就發(fā)揮了全部的錨固作用，這種結(jié)果就偏于不安全。

圖5 圍巖應(yīng)力場(chǎng)

在應(yīng)力釋放后，方案2、方案3高邊墻關(guān)鍵塊體仍沒(méi)有滑落。這也說(shuō)明，錨桿加固作用主要體現(xiàn)在增強(qiáng)關(guān)鍵塊體順傾底滑面抗剪強(qiáng)度和關(guān)鍵塊體后緣反傾結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度上。

3.2.3 開挖損傷區(qū)分布

圖6(a)顯示開挖后塑性區(qū)分布。洞室開挖后，洞室周邊產(chǎn)生一定范圍的破損區(qū)，隨著洞室高邊墻的開挖形成，上、下游邊墻破損區(qū)增長(zhǎng)比較顯著，而頂拱部位的破損區(qū)則變化不大。高邊強(qiáng)處破損區(qū)受控于結(jié)構(gòu)面切割形態(tài)，分布于關(guān)鍵塊體內(nèi)。

圖6(b)給出了拉伸破壞節(jié)理和剪切破壞節(jié)理分布，其中高邊墻順傾節(jié)理多發(fā)生剪切破壞，反傾節(jié)理多發(fā)生拉伸破壞。

圖6 開挖后的塑性區(qū)和破壞區(qū)節(jié)理分布

3.2.4 錨桿軸力

圖7 方案3主廠房錨桿軸力和節(jié)理剪切位移空間分布

圖7為方案3主廠房錨桿軸力分布和節(jié)理滑移圖，黑色矩形代表錨桿軸力，負(fù)值代表受拉，高邊墻黑色傾斜線條代表節(jié)理滑移，線條粗細(xì)表示量值大小。由圖7可見節(jié)理錯(cuò)動(dòng)處錨桿軸力偏大，特別是高邊墻中下部錨桿由于節(jié)理錯(cuò)動(dòng)軸力相對(duì)較大，反映了錨桿作用力與節(jié)理面錯(cuò)動(dòng)之間的相互關(guān)系。由于錨桿間距為1.5 m，圖中軸力1.5倍才是錨桿實(shí)際軸力，可知錨桿最大軸力0.495 MN。

3.2.5 與實(shí)測(cè)值比較

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)位移對(duì)比

圖8為各方案所處洞段主廠房多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)位移與相應(yīng)部位的計(jì)算位移隨開挖步的變化情況。圖8表明位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值隨開挖施工過(guò)程的變化趨勢(shì)基本一致，量值相差不大。說(shuō)明本文的節(jié)理簡(jiǎn)化模型可以反映圍巖的主要變形特征與失穩(wěn)機(jī)制，離散元錨桿單元?？煞从吵龉こ虒?shí)踐中錨桿對(duì)巖體的支護(hù)效果。

4 結(jié) 論

(1) 錨桿的加固作用隨著節(jié)理相對(duì)錯(cuò)動(dòng)和應(yīng)力調(diào)整逐步發(fā)揮的，并非一開始發(fā)揮全部錨固作用。受限于錨桿與相互結(jié)構(gòu)面作用機(jī)制，錨桿對(duì)節(jié)理巖體應(yīng)力狀態(tài)控制效果有限。

(2) 錨桿加固作用主要是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，提高關(guān)鍵塊體安全系數(shù)，阻止塊體塌落。

(3)緩傾-陡傾和中傾-陡傾節(jié)理組合在地下洞室高邊墻處形成不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形破壞程度較大，高邊墻中下部錨桿由于中、陡傾節(jié)理錯(cuò)動(dòng)軸力相對(duì)其他部位偏大。

(4) 離散元錨桿單元?？煞从吵龉こ虒?shí)踐中錨桿對(duì)巖體的支護(hù)效果。

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