軟巖中豎井開挖的支護(hù)體系研究

孔科 易文明 湯雷 付崢

摘要：以某水電站閘門豎井為研究對象，建立了三維有限元模型。采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，模擬了軟巖中豎井的開挖及其支護(hù)體系，詳細(xì)比較了不同支護(hù)措施下軟巖的等效塑性應(yīng)變與塑性區(qū)、軟巖的變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力等，得知在軟巖中開挖豎井時(shí)宜選用襯砌混凝土作為主要的支護(hù)手段，錨桿可作臨時(shí)支護(hù)。

關(guān)鍵詞：閘門豎井；軟巖；開挖支護(hù)；等效塑性應(yīng)變；應(yīng)力與變形；襯砌混凝土

中圖分類號：TV314；TV331 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.028

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，支護(hù)體系逐步得到完善。錨桿支護(hù)是最常用的一類，主要包括錨桿（錨索）、錨噴、錨網(wǎng)、錨噴網(wǎng)、錨梁網(wǎng)、錨桿與支架組合支護(hù)等川，其支護(hù)形式與理論不再是消極地承受圍巖壓力，而是利用錨桿與圍巖的共同作用，最大限度地調(diào)動和發(fā)揮圍巖自身的承載能力，把圍巖從施載體轉(zhuǎn)化為承載體，限制圍巖變形、位移和裂縫的發(fā)展，達(dá)到圍護(hù)地下工程的目的[2-3]。

地下洞室的開挖使巖體中的地應(yīng)力得以釋放并重分布。隨著開挖程度的增大，應(yīng)力重分布的范圍亦擴(kuò)大，不能承擔(dān)上部荷載的巖體產(chǎn)生破壞，如果不對其采取有效的支護(hù)措施，就會引發(fā)失穩(wěn)[4]。隨著我國西部水電開發(fā)的深入，在軟巖以及覆蓋層中開挖豎井的情況越來越多，開挖過程中支護(hù)體系的有效性直接決定施工、運(yùn)行安全。松動圈支護(hù)理論認(rèn)為，巖石破碎形成松動圈過程中產(chǎn)生碎脹變形的碎脹力是產(chǎn)生支護(hù)荷載的最主要因素，是支護(hù)的主要對象[3，5-6]；現(xiàn)代巖石力學(xué)中的彈塑性理論認(rèn)為，圍巖的彈塑性變形是支護(hù)的主要對象[7]。本文基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，對某水電站閘門豎井的開挖支護(hù)過程進(jìn)行了非線性有限元模擬，通過對各種支護(hù)條件下塑性應(yīng)變、塑性區(qū)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力的比較，以支護(hù)體系的應(yīng)力為安全性判定標(biāo)準(zhǔn)，研究適宜軟巖中豎井開挖的支護(hù)體系。

1 計(jì)算原理

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則反映了巖土材料在屈服時(shí)與球應(yīng)力和偏應(yīng)力相關(guān)的特性，在巖土工程界被廣泛應(yīng)用。

設(shè)σ1≥σ2≥σ3，那么Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則以主應(yīng)力的形式表示為式中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；I1為應(yīng)力張量第一不變量；J2為偏應(yīng)力張量第二不變量；θσ為應(yīng)力Lode角；σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力。

2 工程算例

某水電站地處青藏高原的東南緣向川西高山峽谷地貌的過渡帶，河道蜿蜒曲折，呈M形。引水隧洞所在的河谷右岸地形坡度變化較大，上部多呈陡崖，坡度為60°～70°，河谷呈不對稱V形。限于河谷條件，只能在引水隧洞人口附近山體中布置閘門豎井。

2.1 計(jì)算條件及材料參數(shù)

引水隧洞閘門井開挖斷面為8.5m×10.3m，垂直方向高程范圍為2276.4～2394.4m，處于風(fēng)化、卸荷帶，巖體完整性差，結(jié)構(gòu)松弛，圍巖類別為V類，閘門井圍巖穩(wěn)定的評定和支護(hù)形式的選取是當(dāng)前面臨的主要難題。根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，閘門井附近的巖體中無地下水，所以只需解決開挖穩(wěn)定的問題。

初步研究決定，開挖過程中采用噴錨的方式加固，鎖口梁采用間排距為0.4m×0.6m的6m長錨桿加固，門井的周圍采用間排距為1.0m×1.0m的4.5m和6.0m長的錨桿交錯布置加固，且在內(nèi)表面掛網(wǎng)噴護(hù)20cm厚的C20混凝土。由于門井上半段地質(zhì)條件較差，因此計(jì)算中單獨(dú)考慮了把上半段襯砌增加至60cm厚，下段厚度保持20cm不變的工況。

計(jì)算方案如下：①無襯砌；②只有錨桿支護(hù)；③只設(shè)置20cm厚混凝土襯砌；④上段60cm結(jié)合下段20cm厚混凝土襯砌；⑤20cm厚混凝土襯砌結(jié)合錨桿支護(hù)；⑥上段60cm加下段20cm厚混凝土襯砌結(jié)合錨桿支護(hù)。根據(jù)地質(zhì)研究資料，計(jì)算的材料參數(shù)見表1。根據(jù)地質(zhì)勘測的結(jié)果，高程2349.23m以上的圍巖結(jié)構(gòu)松弛，完整性較差，計(jì)算中按V類圍巖參數(shù)的下限值考慮；高程2349.23m以下的圍巖按V類圍巖參數(shù)的上限值考慮。

計(jì)算荷載主要為圍巖與結(jié)構(gòu)的自重。計(jì)算中首先對閘門井附近圍巖的初始自重應(yīng)力場進(jìn)行了模擬，然后計(jì)算模擬了開挖與支護(hù)過程。

2.2 計(jì)算模型

依據(jù)閘門井周圍的地質(zhì)條件，建立了三維有限元模型。引水隧洞順?biāo)魉较驗(yàn)閄軸正向，豎直向上為Y軸正方向。模型在X方向計(jì)算范圍長度為66m；Y方向范圍為高程2294.4～2394.4m；Z方向計(jì)算范圍長度為46.5m。有限元模型整體網(wǎng)格見圖1。

2.3 計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)的安全控制因素比較多，根據(jù)不同的因素采取的加固措施不同。按照彈塑性力學(xué)的支護(hù)觀點(diǎn)，錨桿必須貫穿塑性區(qū)以錨固在未產(chǎn)生塑性的基巖中；按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的變形不能超過特定的范圍，且結(jié)構(gòu)應(yīng)力必須在可控的范圍內(nèi)。這里對不同支護(hù)方案下軟巖的塑性區(qū)、位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行了詳細(xì)比較與分析。

2.3.1 軟巖塑性區(qū)分析

在不同的支護(hù)方式下，豎井開挖結(jié)束時(shí)軟巖中塑性區(qū)分布見圖2～圖7。在沒有任何支護(hù)措施的情況下，塑性區(qū)的最大影響深度達(dá)20m，錨桿在一定程度上控制住了塑性區(qū)的深層擴(kuò)展，等效塑性應(yīng)變最大值減小約25%；混凝土襯砌的施加直接大幅度縮小了塑性區(qū)范圍，60cm厚襯砌比20cm厚襯砌時(shí)等效塑性應(yīng)變最大值減小了約34%；在增加了錨桿的情況下，塑性區(qū)的影響范圍變化不明顯，等效塑性應(yīng)變最大值減小了約34%。因此，混凝土襯砌支護(hù)對塑性區(qū)影響特別明顯，錨桿對塑性區(qū)影響較小，錨桿的支護(hù)可作為軟巖開挖的前期塑性區(qū)臨時(shí)控制手段，混凝土襯砌應(yīng)作為安全控制的主要手段。

2.3.2 軟巖位移分析

在不同的支護(hù)方式下，豎井開挖結(jié)束時(shí)閘室豎井的水平位移最大值見表2。與方案①水平位移相比，方案②使水平位移減小27.6%～29.4%，方案③使水平位移減小44.6%～51.4%，方案④使水平位移減小56.9%～66.9%，方案⑤使水平位移減小52.5%～58.2%，方案⑥使水平位移減小60.7%～67.3%。因此，閘室豎井邊墻的水平位移均比較小，混凝土襯砌對洞壁變形起主要作用。

另外，由于高程2349：23m上下圍巖參數(shù)不同（上低下高），因此在高程2349.23m附近圍巖變形規(guī)律發(fā)生了變化。

2.3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在不同的支護(hù)方式下，豎井開挖結(jié)束時(shí)錨桿的應(yīng)力峰值見表3，襯砌混凝土應(yīng)力峰值見表4。從計(jì)算結(jié)果可知，在只有錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿應(yīng)力最大，且峰值位置產(chǎn)生于上半段；當(dāng)增加混凝土襯砌時(shí)，錨桿應(yīng)力減小約36.3%；襯砌混凝土厚度從20cm增大至60cm時(shí)，錨桿的應(yīng)力發(fā)生重分布，峰值產(chǎn)生位置從上下兩個(gè)峰值區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥邢露我粋€(gè)峰值區(qū)域（下段襯砌厚度20cm不變）。因此，增加襯砌對軟巖應(yīng)力的分布影響較明顯。

襯砌上的拉應(yīng)力主要產(chǎn)生于襯砌拐角外側(cè)，在上半段基巖較差段應(yīng)力較大；增加襯砌的厚度對襯砌的應(yīng)力峰值影響明顯，增加襯砌厚度使拉應(yīng)力峰值最大減小約63%；增加錨桿使襯砌混凝土的拉應(yīng)力減小約10%。

3 結(jié)論

通過對軟巖中豎井開挖各種支護(hù)方式的比較，可得出以下結(jié)論：

（1）錨桿的作用對軟巖中塑性區(qū)的發(fā)展影響有限；混凝土襯砌對塑性區(qū)影響較大，在軟巖塑性穩(wěn)定方面應(yīng)以混凝土襯砌為主。

（2）門井結(jié)構(gòu)三維效應(yīng)明顯，塑性應(yīng)變較小，雖然塑性區(qū)范圍較大，但軟巖變形較??；錨桿對軟巖的變形影響相對較小，混凝土襯砌影響更明顯。

（3）混凝土襯砌可直接影響軟巖的應(yīng)力分布，從而進(jìn)一步影響錨桿的應(yīng)力，當(dāng)襯砌達(dá)到一定厚度時(shí)錨桿中的應(yīng)力趨于不變；隨著襯砌厚度的增加，襯砌上的應(yīng)力有較大程度的減小，錨桿對襯砌的應(yīng)力影響較小。

（4）混凝土襯砌對軟巖塑性區(qū)、軟巖變形及軟巖的應(yīng)力影響非常明顯，而錨桿的支護(hù)效果有限，在軟巖豎井開挖中宜選用混凝土襯砌作為主要支護(hù)措施，錨桿可作為臨時(shí)開挖穩(wěn)定支護(hù)措施。

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