（岩土工程专业论文）龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究.pdf

龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 摘要 龙滩水电站地下厂房是目前世界上在建的最大地下厂房之一，其引水发电 系统包括1 1 9 条洞室，洞室总长度达3 0 k i n ，分别布置在大坝左岸不到0 5 k m 2 的山 体内，山体内洞室上下重叠，纵横交错，是名副其实的地下洞室群系统。 龙滩水电站地下厂房主要由主厂房、母线洞及主交室构成，属于大跨度、 高边墙、近距离地下洞室群。研究地下厂房洞室群围岩的稳定性，对于支护结 构设计，确保地下厂房在运营期的安全生产具有重要意义。 结合国家重点工程龙滩水电站地下洞室群，本文深入研究了地下洞室 群的岩体力学环境条件，确定了厂房围岩区的初始应力场和边界应力条件。在 此基础上，应用a d i n a 自动动态增量非线性有限元程序对龙滩水电站地下洞室 群建立了三维弹塑性有限元计算模型模拟洞室群的开挖。计算分析了主要洞室 及关键部位围岩的应力状态和变形特征，并对围岩参数进行了敏感性分析。 计算分析表明：与水平层状岩层中的洞室开挖相比较，位于陡倾角层状岩 体中的龙滩水电站地下厂房洞室群围岩的交形具有明显的非对称特征，围岩在 开挖过程中明显沿层面错动。总体变形以主厂房最大，洞室群围岩稳定性较好。 通过敏感性分析结果得出，参数e 、c 、妒、盯等的不同对洞室围岩位移 的影响是截然不同的，即使是同一个参数的变化对不同部位的影响也是有所差 异。 关健词：地下工程；围岩稳定；非线性有限元：数值模拟；a d i n a 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 a b s t r a c t t h es c a l eo ft h eu n d e r g r o u n dp o w e rh o u s eo fl o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o ni s o n eo ft h eb i g g e s ti nt h ew o r l da tp r e s e n t i t sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi n c l u d e s1 1 9 c a v e l 口l sw h o s et o t a ll e n g t hi s3 0 k i n t h ec a v e r i sa r es t a t i o n e do nt h el e f tb a n ko ft h e d a mi nl e s st h a n0 5 k i n 2m o u n t a i nb o d y ，a n dt h e ya r eo v e r l a p e dw i t he a c ho t h e ra n d n u m e r o u sc r o s s i n g s oi ti sav e r i t a b l eu n d e r g r o u n dc a v e r l l ss y s t e r m t h eu n d e r g r o u n dp o w e rh o u s eo f 功n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o ni s m a i n l y c o m p o s e do fm a i nw o r k s h o p ，b u sh o l e sa n dm a i nt r a n s f o r m e rr o o m i ti sb e l o n g e d t ot h el o n g - s p a n , h l g h - s i d e w a l l ，a n dc l o s eq u a r t e r su n d e r g r o u n dc a v e r n s s ot h e r e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo ft h eu n d e r g r o u n dc a v e r n si sv e r yi m p o r t a n tt ot h es u p p o a s t r u c t u r ed e s i g na n dt h es a f e t yd u r i n go p e r a t i o n t h i sp a p e rm a k e sl o t so fr e s e a r c ho nt h er o c km e c h a n i c sp r o p e r t yo ft h e u n d e r g r o u n dc a v e r n si nl o n g t a nh y d r o p o w e r 。s t a t i o n o nt h i sb a s i s , t h eo v e r a l l t h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eu n d e r g r o u n dc a v e r n si s e s t a b l i s h e db ya d i n a ( af i n i t ee l e m e n tp r o g r a mf o ra u t o m a t i cd y n a m i ci n c r e m e n t a l n o n l i n e a ra n a l y s i s ) t h i sp a p e ra l s om a k e sm a n yr e s e a r c h so nt h es u r r o u n d i n gr o c k s s t r e s ss t a t ea n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e ro ft h em a i nc a v e r na n dk e y p a r t s ，a n da n a l y s e s t h es e 日a s i t i v i t yp a r a m e t e ro ft h es u r r o u n d i n gr o c k t h e ，a n a l y s i ss h o w st h a tc o m p a r e dw i t ht h ee x c a v a t i o ni nt h ea c l i n i c 。a n d l a y e r e dr o c kc a v e r n s ，t h es u r r o u n d i n gr o c k sd e f o r m a t i o no f t h ec a v e r n so fl o n g t 锄 h y d r o p o w e rs t a t i o nw h i c hl o c a t ei nt h es t e e pa n dl a y e r e dr o c kh a so b v i o u s l y n o n s y m m e t r i ca n dd i s t i n c td i s p l a c e m e n ta l o n gl a y e r s d u r i n g t h ep r o c e s so f e x c a v a t i o n t h eo v e r a l ld e f o r m a t i 衄o ft h em a i nw o r k s h o pi st h em a x i m a l t h e s t a b i l i t yo ft h ec a b e m si sf a i r i s h f r o mt h er e s u l to ft h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s w ec a n s e et h a tt h ec h a n g eo ft h ep a r a m e t e rc a l la f f e c tt h ed i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k g r e a t l y , e v e nt h o l l g l rt h fc h a n g eo ft h es a m ep a r a m e t e rw i l la f f e c td i f f e r e n tp a r t s d i v e r s e l y ， k e yw o r d s ：s u b t e r r a n e a ne n g i n e e r i n g , s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k , n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t , h u m e r i c a la n a l y s i s ，a d t n a 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标咀。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 论文作者签名：鱼i 堕 关于学位论文使甩授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有甍部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；拳人授权贵州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 监导师签名：蛹日期：丑血卫一 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 1 1引言 第一章绪论 随着我国国民经济的高速发展，水电、铁路、公路、国防等建设都取得了 长足进步。由此，与这些工程相关的地下工程开挖范围越来越广，规模也越来 越大。近几年来，随着西部大开发的实施，我国在西部开始了大量的工程建设， 例如公路、铁路和大型水电站等，并且洞室的规模也越来越大。在我国西南、 西北高山峡谷地区，集中了7 0 9 6 以上的水电资源，这些地方高山峡谷、水深流 急，选择地下厂房往往是最佳方案“1 。 地下工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，地下洞室的开挖施工 将不可避免地扰动地下岩( 土) 体，破坏了原有的平衡状态，从而向新的平衡 状态转化。在一定的地质体和地质环境中开挖地下洞室，势必会引起该地质体 在洞室周围的一定范围内发生应力状态和能量的重新调整和分布。由于地质体 一般不是线弹性介质，所以在开挖过程中，随着应力调整和围岩不断变形，地 质体本身的材料特性发生变化。当重分布应力达到地质体极限强度时，就产生 裂缝或剪切位移，在自重作用下发生塌落，甚至造成“冒顶”现象。在实际工 程中，需要解决的围绕地下洞室开挖模拟计算的研究问题仍比较多，特别是在 复杂地质条件下更是如此，必须进行深入、全面的研究。 地下洞室围岩稳定问题实质上是研究地质体由于地下洞室开挖而引起的 应力的重分布问题。目前国内外对地下工程的研究方法一般分为地质分析法、 工程类比法、岩体结构分析法、模型实验法和数值分析法等五种分析方法。数 值分析中的有限单元法在求解线弹性、流变、动力、非稳态渗流等时间相关性 问题，以及温度场、渗流场、应力场的耦合等复杂的非线性问题中的重要作用， 使它成为岩体力学和岩土工程中应用最广泛的数值分析方法。在洞室区围岩较 为完整、围岩情况较好的条件下，本文采用a d i n a 有限元程序来进行分析求 解。 1 2 影磊；i ；i 妻霎苎兰兰兰j 题壁塞堡堡塞 晌地下厂房围岩稳定的主萎i ；= 竺竺二鬯坚 蠛一蓊魏， 不利 - - 2 - - 室稳定是很 向与岩洞轴 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 线交角霹，4 0 时，危险性较大。如有其它节理组配合切割则更为危险。当节理 组走向与洞轴线大角度相交时，危害性较小。 ( 3 ) 特殊地质条件 当地下工程穿过断层破碎带、强风化带或岩溶发育等特殊地质环境时，维 护曝岩稳定往往较困难，因为构造破碎带往往含有断层泥、糜棱岩、角砾岩等 断裂构造岩。此时岩层松软破碎，围岩中节理裂隙较密集，围岩属于松散介质。 一般状况下，地下水在这里也较为活跃，如地应力较大，则会出现很强烈的地 压现象。 1 2 2 地应力 地下工程的失稳主要是由于开挖引起的应力重分布超过了围岩强度或引起 围岩过分变形而造成的。而应力重分布是否会达到危险的程度与地应力的方向、 量值和性质关系密切。地应力是地壳本身存在的应力，这些应力在岩土工程开 挖的影响下。长期处于加载、卸载状态，导致围岩变形、破坏。因此，地应力 不但是对围岩进行稳定分析和计算的前提，而且还是影响地下洞室稳定的基本 因素之一。 地应力的构成有若干方面，最主要的是受地形影响的自重应力及地质构造 运动产生的或残留的应力、温度应力等。地应力中的最大主应力、岩层主要节 理组的方向和地下洞室主要临空面的相互关系与洞室稳定有重要关系。当三者 都互为锐角时，对洞室最不利。一般来说，对节理发育的岩体，当地应力较大 且主应力方向己知时，应尽量避免在设计及布置地下工程时使主要临空面暴露 在主应力与主要节理组成的锐角方向上。 1 2 3 岩体力学性质 如上所述，工程岩体的稳定性与岩体的强度及变形特性与开挖后围岩应力 重分布等有关。由于在岩体中存在节理裂隙组、软弱结构面以及断层破碎带等， 岩体的强度和变形受软弱结构面的控制。另外，在洞室开挖过程中，洞室围岩 的应力重分布，使一部分岩体处于加载状态，而另一部分岩体则处于卸载状态。 对岩体来说，加载和卸载曲线是不同的。另外，岩体的塑性、流变性等对围岩 稳定有重要影响。许多层状岩体中的各向异性，使围岩的变形及失稳有强烈的 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 非对称性。岩体的塑性和扩容性使洞周形成松散破碎区或强烈变形区。 1 2 4 工程因素 工程因素主要指洞室轴方位、群洞或单洞及其布局关系、规模、形态、使 用性质、旄工方法、开挖工艺、支护形式及实施过程及其它活动影响等。这些 因素都对洞室稳定性产生较大影响。 地下工程的方位设计，特别是在高应力区有大的断层破碎带，发育的节理 组的情况下是十分必要的。一般来说，工程纵轴接近正交于最大主应力方向是 不利的，丽平行或小角度与之正交则较为有利。而对大的断层或软弱岩层则正 好相反，工程长轴与之相交较为有利。施工方法及开挖次序也是很重要的，有 些情况下适宜多次开挖，而有些是不适宜的。施工机械及施工工艺对围岩的扰 动也是围岩稳定的一个影响因素。支护也是对围岩稳定有重要影响的因素，能 够适时、恰当支护是阻止围岩进一步恶化的重要措施。 1 2 5 地下水 地下水的存在及其活动，常使洞室围岩的稳定状况恶化。洞室开挖后，地 下水向洞内汇集，形成新的渗透场，岩体受到指向洞内的力场作用，因而使围 岩失稳。地下水使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显。对于有软弱结构面 的围岩，会使弱面夹层加速侵蚀及泥化，减少层间摩擦。对于承受内水压力的 水电站地下洞室来说，内水外渗可能引起地下洞室破坏和山体的失稳。因此， 设计地下工程时，对地下水的影响必须充分考虑。 1 3地下洞室围岩稳定性的分析方法 一般采用地质分析法、工程类比法、岩体结构分析法、模型实验法和数值 分析法等方法。 1 3 1 地质分析法 通过地质勘测手段，了解与围岩稳定有关的岩石特性、地质构造、岩体应 力和地下水等特点，通过地质力学综合分析方法确定洞室围岩稳定性。 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 1 3 。2 工程类比法 根据拟建工程区域的地质条件、岩体特性和工程特征，通过与类似条件下 已建工程的对比，进行验算和综合分析，从而判断该工程区域洞室围岩的稳定 性。围岩分类法是工程类比法最为典型的方法，将大量已建洞室工程稳定情况， 综合归纳为围岩分类表。将拟建洞室工程的情况与它对比，对比的项目是关系 到稳定的各种因素，如岩体状态、结构面特性、岩石单轴饱和抗压强度、岩体 质量指标、地下水活动状态、开挖后毛洞围岩稳定状况等。最后可判定拟建洞 室围岩稳定的类别，提出相应的支护措施。 1 3 3 岩体结构分析法 在了解岩体结构和弱面强度性质及地应力分布情况后，可根据洞室的设计 和施工方案，确定所谓“工程力”，即由施工引起的荷载力。再借助于赤平极射 投影法、实体比例投影法、块体坐标投影法等作图方法，进行岩体结构的图解 分析，初步从几何关系及运动学角度判断岩石块体的稳定性：再用“极限平衡 理论”对由弱面切割形成的“可能不稳定块体”进行稳定性校核计算，求出块 体上抗滑力和滑动力之比，即稳定性安全系数。以下对块体极限平衡法作一简 单介绍。 块状岩体的失稳方式是表现为结构体沿着控制性的结构面上滑移而失稳， 其具体分析步骤如下： 1 ) 在洞室临空面上寻找可能失稳的倒棱形体。通过几何分析计算出滑动棱 形体的表面积和体积，可运用赤平面极射投影法，该法能以二维的赤平面，通 过极射投影的图形表达三维空间物体的几何要素，如块体表面之间的组合关系、 产状、面与面的夹角等，再通过实体比例投影法求出滑动体的表面积和体积。 2 ) 建立岩体可能滑动模型图。根据滑动体表面边界上的结构面特征，提出 沿控制结构面滑动的可能性。 3 ) 滑动体失稳的力学分析。求出作用在滑动体表面边界上的各种力，再对 滑动体进行刚体极限平衡分析，用库仑准则判断块体沿结构面滑动的可能性。 4 ) 块体的稳定性评价。通过上述分析，可得出各种可能滑动体在控制性的 软弱结构面上的滑动力和阻滑力。阻滑力与滑动力的比值即为抗滑稳定安全系 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 数，由此可评价块裂岩体的稳定性。 5 ) 块状岩体的支护计算。对于不稳定岩体，可算出坍塌体重量或剩余下滑 力，把它作为作用在支护上的力，根据这个力可以进行锚杆和初砌设计。 1 3 4 模型及原型实验分析法 对于重要的地下洞室工程，为了较直观地从物理实体上分析和预测洞室围 岩的稳定性以及可能的破坏形态，往往采用地质力学模型实验的方法。即按照 一定的相似理论，采用模型材料来模拟实际的岩体结构、原始地应力场和洞室 旌工过程，通过接触或非接触测量手段，了解洞室围岩的变形分布、应力分布 以及破坏形态的发生发展过程等，从而对洞室围岩稳定性做出评价和预测。 此外，在必要和可能的条件下，有时也采用工程现场开挖试验洞室的方法， 对洞室围岩的稳定性进行监测、分析和研究，以便对工程主体洞室的施工提供 最直接的参考依据。 1 3 5 数值分析法 伴随电子计算机的应用而发展起来的现代计算力学数值分折方法，现在已 经成为地下洞室围岩稳定分析的最重要的手段之一，在近三十年的时间里，发 展速度之快、应用范围之广都是惊人的。用于连续介质的有：有限单元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 、边界单元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 、无限单元法( n e m ) 、 拉格朗日元法( f a s tl a g r a n 【g i a na n a l y s i sf o rc o n t i n u a ) ：用于非连续介质的有： 关键块体理论( k e yb l o c kt h e o r e m ) 、离散元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 、不 连续变形分析法( d i s c o n t i n u e dd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 可同时用于连续介质和 非连续介质的流行元法( m a n i f o l de l e m e n tm e t h o d ) 等。上述各种方法之闻的 耦合方法( c o u p l i n g ) ，基于逆向思维而提出的上述各种方法的反演分析( i n v e r s e a n a l y s i s ) 方法和与优化理论相结合的反馈分析( f e e d b a c k a n a l y s i s ) 方法，目 前也在地下洞室稳定分析中得到广泛的应用。但是，目前应用最广、最可靠、 结果最稳定的还当属有限元方法。 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 1 4主要研究内容及意义 1 ) 地下洞室围岩稳定性研究是地下洞室工程设计的核心问题。思维的变革 是学科前进的捷径。本文系统回顾稳定性研究历程，评述当前研究方法，深入 分析地下洞室群围岩稳定问题的实质及特点，提出应坚持以系统理论为指导、 半经验半理论的研究方法。 2 ) 数值计算分析技术是围岩稳定性研究中重要工具和手段之一。数值计算 分析成果的准确性和可靠性严重依赖于计算模型和计算参数的准确性和可靠 性。如何建立精细的、满足计算要求和求解能力的计算模型，以及能正确模拟 锚固作用的计算方法是数值分析研究的主要内容之一。 3 ) 由于地下洞室群所处的地质环境条件不同，洞室群的布置、洞室体形及 规模也不尽相同。因此针对具体工程的围岩稳定性研究具有十分重大的现实意 义。本文结合国家重点工程龙滩水电站地下厂房洞室群，研究了地下洞室 群的岩体力学环境条件，在此基础上，对龙滩水电站地下厂房洞室群建立了三 维整体弹塑性有限元计算模型，充分考虑洞室群复杂的空间分布特征及陡倾层 状结构围岩的工程地质特性，模拟洞室群的开挖，研究主要洞室及关键部位围 岩的应力状态和变形特征，评价洞室群围岩的整体稳定性，为科学合理指导拖 工奠定坚实基础。 4 ) 计算分析了围岩参数的变化对围岩稳定的影响，并作出围岩参数的敏感 性曲线，分析了围岩参数敏感性对围岩稳定的重要性，不同的参数对围岩稳定 的影响是完全不一样的，了解参数对围岩的影响程度对使用参数和评价计算结 果有着积极的意义。 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 第二章地下洞室数值计算的基础理论研究 2 1 地下洞室施工力学基本理论 2 1 1 洞室施工力学基本概念 近代工程建设发展提出设计中不但要考虑设计与建造的工程结构物本身， 同时也需涉及其施工与形成过程中不同阶段中间产物及其动态与相互影响问 题。因此，施工过程中，一结构物及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相 关的新的工程力学学科分支施工力学。 土木工程施工力学是在时变力学的基础上，力学学科与土木工程等工程学 科结合的产物，研究工程旄工过程中物体的力学性质，不仅研究对象的几何尺 寸、材料参数随时间而变化，而且施加在物体上的荷载大小及方向也是时间的 函数。将涉及固体力学、结构力学、工程地质力学、岩土力学、流体力学、计 算力学以及结构工程、基础工程、地下工程、水工工程、海洋工程、道桥工程、 环境工程等多门学科，需要基础科学与工程科学密切配合与交叉、渗透。施工 力学研究在理论上属学科前沿，反映学科交叉；在应用上与国民经济密切相关， 是工程技术发展急待解决、体现科技与经济相结合的一个重要研究方向，其成 果将会对我国工程建设以及2 1 世纪发展产生广泛、深远影响。 2 1 2 洞室施工力学的基本原理 地下工程施工的基本目的是在各类地质体( 岩体或土体) 中修筑为各种目 的服务的、长期稳定的洞室结构体系。从结构角度讲，这个结构体系是由周围 地质体和各种支护结构构成的，即洞室结构体系= 周围地质体+ 支护结构。它 的形成则是通过一定的施工过程或一定的力学过程来实现的。 新奥地利隧道设计施工法( 简称新奥法) 是r a b c c w i c z 在总结地下洞室建 造实践经验基础上创立的，是一种设计、施工、监测相结合的科学的洞室建造 方法，它的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。至今，新奥法在世界 各国的隧洞和地下工程建设中获得了极为迅速的发展，在铁路、公路、水工隧 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 洞及地下工程中获得了广泛的应用。其基本原则主要有： ( 1 ) 围岩是地下工程承载体系的重要组成部分，所以在施工中尽可能保护 围岩的原有强度，避免围岩出现不利的单轴和双轴应力状态； ( 2 ) 为了充分发挥围岩的结构作用，应允许有限制的围岩变形。一方面允 许变形能达到在支护结构周围的围岩中形成承载环的量级；同时必须限制它， 使围岩体不产生过渡松弛而丧失或降低承载能力。为此，在施工中必须进行现 场量测，以实现对围岩的变形控制； 。 ( 3 ) 为了提高安全度或设置防水层，一般采用复合式衬砌，即初期支护和 二次支护，二次支护要适时，即不要太早也不要太晚； ( 4 ) 支护结构在施工中需适时闭合，设置仰拱形成封闭结构，使其充分发 挥作用是施工中的一个重要环节。此外，洞室形状要尽可能圆顺，避免拐点以 减少应力集中。如不能做到时，要采取相应措施以减小应力集中。 新奥法着重从施工措施的角度总结了现代地下工程的设计施工方法，却未 能从更广泛、更深刻的角度阐明其内在的原因和根据。实际上，洞室从开始开 挖施工到工程结束都有一段时间过程，开挖将使地下岩土体内部原有的物理力 学平衡发生变化，通过旌工中岩土内部的物理力学诸因素的重新调整与转化， 达到施工完毕后的新的平衡状态和稳定状态。施工过程是一个时间和空间都不 断变化的过程，而最终状态( 最终解) 不是唯一的，而是与开挖过程密切相关， 或是与应力路径或应力历史相关，显然就有一个过程的优化问题，对于复杂地 质条件下的地下厂房洞室群工程更是如此，因此，地下洞室施工力学基本原理 可以总结为以下几个主要方面 4 5 1 ： 1 地下工程的施工受到自然因素不确定性的影响，要全面而正确地认识各 种因素的影确。不德研究自然因素( 如地下水、初始地应力、岩土体的物理 力学特性等) ，还需要研究人为的工程因素。 2 地下工程施工期和竣工后的运营期，围岩的稳定性及有关的经济效益、 社会效益不仅和其最终状态有关，而且和达到施工最终状态所采取的开挖途径 和方法有关，这是因为洞室施工中围岩的边界在时空域中是不断变化的，围岩 处于复杂的反复加、卸载过程。从力学角度讲，这是一个非线性过程，不仅与 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 最终状态有关，而且和应力路径或应力历史相关。 3 为了解洞室结构的稳定性以及施工对环境的影响、施工支护效果，应在 施工前对工程进行动态施工力学优化分析，针对不同的开挖顺序，以围岩稳定 或地表沉降作为优化目标，寻求最优或几个较优的施工方案，供设计或施工单 位决策。 癣对于复杂地质条件下的地下工程，要特别注意施工过程的设计和控制， 科学地遵循围岩的动态响应规律，使人为的开挖和支护因素对围岩的损伤程度 尽量小，在经济性、合理性的前提下，因地制宣地运用开挖和支护手段，把有 害的影响及隐患控制在较低的限度内 生根据优化施工方案，确定施工时要不断深化和修正原有认识，做好围岩 动态响应的观测及监测工作，这些资料与原来的预计情况进行对比( 这是因为 理论预测基于经典力学或连续介质力学的范畴，不能考虑岩土体介质在开挖中 所表现出的全部特性) ，以判断现有施工方案的合理性，必要时应及时调整现有 的施工及支护方案，保证后续工程进程的安全及经济性。 6 要强调勘察、设计、施工、科研四个环节紧密结合，互相渗透，根据实 际中出现的新情况和新资料不断修正原有的认识和调整原有的施工方案，要有 允许随时修改原有施工方案和方法的灵活性，使之符合实际情况。 2 1 3 地下洞室施工的力学效应 ( 1 ) 时间效应 若材料具有粘性或涉及非定常问题，这些含有时间因素的问题将和几何、 物性、边界的时交发生耦联，产生施工力学“时间效应”，即同一结构，不同旌 工时间控制过程，其最终力学状态不同。 ( 2 ) 路径效应 若材料具有物理非线性或考虑几何非线性、边界非线性( 如接触问题) ，则 这些问题含有的路径因素将与几何、物性、边界的时变发生耦联，产生施工力 学“路径效应”，即同一结构。不同施工顺序控制过程，其最终力学状态不同。 ( 3 ) 耦合效应 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 若所研究问题涉及多个物理场，如应力场、温度场、渗流场等，这些场之 间存在相互作用，产生施工力学“耦合效应”。当然，其分析结果与非耦合分析 不同。 2 2 洱室开挖模拟基本方法 地下洞时开挖时，初始应力场可以假定为重力场，当用有限单元法模拟在 自重作用下地下工程的开挖效果时，一般采用反转应力释放法和空单元法进行 计算。 2 2 1 反转应力释放法 洞室开挖前围岩处于初始应力状态 仃 o ，及与之相适应的初始位移场为 “ ”，沿开挖边界上的各点均处于一定的原始应力状态，洞室开挖后，因其周 边上的径向应力以，和剪切力f 都为零，开挖使这些边界的应力“解除”( 卸 荷) ，从而引起围岩变形和应力场的变化，对上述过程的模拟通常采用的方法是 邓肯( 1 m d u n c a n ) 等人提出的“反转应力释放法”，即把这种沿开挖作用面上 的初始地应力反向后转换成等价的“释放载荷”。通常的作法是根据已知的初始 应力，求得沿预计开挖韵洞周边界上各节点的应力，一般假定各节点问应力呈 线性分布，反转洞周边界上各节点的应力方向，并改变其符号，即可求出洞周 边界上的释放载荷，然后旌加于开挖作用面进行有限元分析，将由此得到的位 移作为由于工程开挖卸荷产生的围岩位移，由此得到的应力场与初始地应力场 叠加即为开挖后的应力场，这种方法的关键是释放载荷的确定。 对于释放载荷的确定，常用的方法是根据预计边界两侧单元的初始应力通 过插值求得各边界节点上的应力，然后假定两相邻边界节点之间应力变化为线 性分布，从而按静力等效原则计算各节点的等效节点荷载，具体计算方法如下。 对于具有已知初始应力场的洞室开挖工程，沿预计开挖线上各点的初始应 力 c r o 为已知，在离散化的情况下，可假定沿开挖边界上两相邻节点之间初始 应力呈线性变化。则对于任一开挖边界点f ，开挖所引起等效释放荷载f 等效节 点力) 为： 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 z - 丢阿( 岛+ 屯) + 砖+ 柏+ 硝( 吒+ 口2 ) + 咖：+ 咖。】 丹i - i 1 【- 吲1 a i + 7 2 ) + 秽1 4 ：+ 缟+ 砖( 6 l + 6 2 ) + 鹳+ 蚺】 ( 2 1 ) 式中：i , i 一1 。i + 1 沿开挖边界上的有限元网格的节点号5 4 i - 薯- 1 一而，a 2 - x , 一+ 1 ，岛* - y j 1 t6 2 一只“一咒 如果坐标矗y 轴与主应力轴重合，则有- o 式( 主- 1 ) 可简化为： - 丢 域( 岛+ 6 2 ) t 1 6 2 + 柏】 砖- 吾【2 口；( 啦坞) + 啪：+ 咖。】 ( 2 2 ) 着原始应力场为均匀压力场，即节点kf 一1 、f + 1 哥各点压力相等，则式 ( 2 - i ) 可简化为： z - - i q 。( 岛+ ) + 岛。( 4 + 4 ：) 】l( 2 - 3 ) 砖- 考【哆。a i + a 2 ) + 。倾+ ) 】l 式中：吒。、口分。初始地应力。 若hy 与应力主轴重合j 式( 2 - 3 ) 可简化为： z 一丢h ”6 2 ) 】 砖一三h ( q 坞) 】 ( 2 4 ) 考虑到存在一个初始应力场 的情况，开挖后的实际应力场应为初始应 力场与开挖释放应力场的 呸) 叠加，即 d l ! ) + 吒) 0 寸算的位移场应是对 工程具有实际意义的“围岩变形”。当采用多次开挖时( 假定为厅步) ，计算中 第一次开挖后洞周的释放荷载则是按初始地应力求得的，第二次开挖后洞周的 释放荷载则是根据第一次开挖后的围岩应力场求得的，往后各步依次类推，每 一次开挖形成一次载荷工况。 与原始应力相对应的位移在早期的地质历史过程中已完成，对工程分析不 具有实际意义，模型最终位移是各次开挖后引起的位移总合，即 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 缸 - 扣，) + 扣： + + 伽 。(2-5) 模型最终的应力场是初始应力场与开挖引起应力场叠加的结果，即 盯 一 ) + q + + + 吼) ( 2 6 ) 2 2 2 空单元法 空单元法的开挖效果是通过被挖掉单元的“空单元化”，即在保证求解方程 不出现病态的情况下将挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚 度贡献变得很小( 可忽略不计) ，同时使其质量、载荷等效值也设为零来实现的， 故称为空单元法。 在重力场作用下，运用空单元法模拟开挖过程时，所求的应力场为该步开 挖后围岩的实际应力场，所求得的位移场需减去初始应力场才为该步开挖后围 岩的实际位移场。 2 2 3 混台法 反转应力释放法是一种经典的方法，其力学概念清晰，也乐于为人们所接 受。但是反转应力释放法在初始应力场求解过程中，具有人为假定的局限性。 而空单元法是与计算机软、硬件高速发展紧密相关的一种方法，该方法的局限 性表现为在求解位移场时需要与初始位移场进行叠加运算，这在一定程度上降 低了分析问题的效率。如果有一种方法能够避免反转应力释放法的局限性以及 空单元法的不便性，这样对实际工程闯题的分析将会趋于更加合理和高效。混 合法属于不规范的提法，这里可以理解为将反转应力释放法和空单元法有紧密 联系的一种方法。 混合法的基本原理是先对有限元模型进行加载计算分析一次，来形成相应 的初殆应力场；燃后把计算所得的初始应力场再读入到有限元模型中，在读入 的过程中可以进行一定的技术处理将其位移场假定为零，然后进行施工过程的 开挖模拟，在开挖的过程中所求得的位移场和应力场即为实际的位移场和应力 场。 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 2 。2 。4 方法的比较 在平面问题分析中，反转应力释放法模拟开挖过程，可通过控制开挖载荷 的释放，近似地考虑掌子面支撑的空间效应，而其它两种方法似乎比较难于实 现。 当初始应力场在某些区域本身不是弹性应力场或己进入塑性应力场时，采 用空单元法来模拟开挖过程似乎更加合理；而其它两种方法处理这种初始应力 场则有一定的局限性。 对于被挖掉单元的处理，就反转应力释放法而言，理想的方法是从整体有 限元分析体系中除去被开挖单元，并重新划分网格，重新对节点、单元进行编 号，但这种方法工作量大，且不易于计算机实现，一般较少采用。常用的方法 仍然是把挖去的单元进行空单元化处理，这样可不改变整个模型的单元网格结 构，从而不须重新形成总体刚度矩阵构架。 因此，上述二种分析方法应该是各有特点和利弊，且相互有联系。 2 2 5 开挖模拟难点分析 对于开挖过程的模拟来说，与其说难点在于开挖方法的选择上，不如说是 空单元化的实现上。这里顺便指出，在开挖过程中，譬如二次衬砌的模拟常常 是通过己空单元化的单元位置上单元的复出及材料的改性来实现的，难点在于 已经空单元化的单元在变形的过程中，其构形是不断变化的。当相应处的单元 需要复出且改性时，其构形应该是与之相协调的，这虽然是一个几何非线性问 题，但处理起来绝没有那么简单，这个问题的合理解决对开挖效果模拟的影响 甚大。此外，在进行空单元化处理时，总体刚度矩阵如果因为开挖而发生突变 时，这常常给数值上的稳定性带来较大的困难。因此，在模拟开挖时，如何从 技术上去考虑空单元时的刚度衰减，也是非常值得关注和必要的。 在对开挖效果进行模拟时，无论是自己编程还是采用商业软件，问题的难 点之一应该是对空单元化技术的处理上。 2 2 6 应力释放率 采用平面有限元法来模拟地下工程的开挖问题时，常通过应力释放率来近 似考虑掌子面支撑的空间效应。关于应力释放率如何考虑和计算，国内外有关 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 这方面的文献比较多，这里只是概念性地进行简单介绍。 地下工程的挖掘是指人工除去原来存在的地层，被挖掘与不被挖掘领域间 的分界线被称为挖掘断面。在挖掘前，挖掘断面上的应力处于平衡状态( 如图 2 - 1 审p i = p 2 ) 挖掘断面 豳2 - 1 挖掘过程示意 从力学角度讲，挖掘既是将p 2 领域除去，这相当于在分析对象中旌加外力 。所以，p 1 也被称为挖掘相当外力，除去p 2 的过程称为应力释放。在进行挖 掘操作时，挖掘面上的初应力p 2 不是立即消除，丽是被渐渐地释放捧，释放后 的应力与原来初期应力的比率被称为应力释放率。 在理论上，作为物体的分析域被除去的瞬间，挖掘断面变成自由面，p 2 将 不存在，因此释放率通常应为1 0 0 ，但是，挖掘断面周围变形状态及应力、 应变状态在掌子面还没有足够延伸的情况下保持不稳定，即被考察处将受到掌 子面支撑的影响，离掌子面越远所受的影响越小。为了能用平面有限元法来考 虑掌子面支撑空间效应，可以通过应力释放率来近似模拟。采用应力释放率应 该慎重，释放率的调整必须具有充足的工程、理论或经验上的依据。 在实际操作中，一般对挖掘对象设嚣相同的应力释放率，在某一挖掘对象 的应力释放率达到了1 0 0 时，方可进行下一步的开挖( 图2 - 2 所示) 。 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 纵 断 面 横 断 面 闽徊律 凰圈豳 最初释放5 0 应力再释放2 5 应力释放最后2 5 疡应力 2 3 洞室支护或预加固措施模拟 地| 下工程支护或加固措施在有限元计算中的模拟，对于平面闯题常采用线 单元或面单元进行模拟；对于空间问题常常采用面单元或体单元进行模拟；对 于作用机理相对明确的支护或采取加固措施可以直接进行模拟；对于作用机理 尚不明确或为了降低问题实现的难度，主要从其总体力学效果方面来进行等效 模拟。当某一施工工况需要支护或加固措施时，对于线单元( 平面或三维分析 中) 或面单元( 三维分析中) 模拟的支护主要是通过恢复其材料属性或几何属 性的设计值来实现。不过这些属性在此之前都被空单元化，许多软件( 如a n s y s ， m a r c ，a d 玳a , a b a o u s ，f l a g 等) 把这两个过程分别称之为或变相地称之 为单元“生”与“死”l 对于用面单元( 平面分析中) 或体单元( 三维分析中) 模拟的支护或预加固措施是通过重新赋予材料属性来实现，但更多的场合是这 些单元需要先处于“生”状态。 对于支护措施，本文主要考虑锚杆、网喷混凝土两种支护措施，如何在有 限元计算中比较合理地反映这些措施的作用机理或效果? 是影响计算结果合理 性的关键因素之一。 2 3 1 镬托霉护的力学模拟 在地下工程中，常在初期支护中采用锚杆支护使围岩稳定，提高初期支护 的强度和刚度。另外，地下工程施工需要施做超前支护时，需要设置钢架作为 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 超前锚杆、小钢管、小导管、管棚、旋喷桩等的支承构件。 在数值分析中，锚杆支护也常通过等效作用和力学模型两种方法进行考虑。 按等效作用法考虑时，根据抗压刚度相等的原则，将锚杆的弹性模量折算给网 喷混凝土，按下列计算： 三e o + 毕 ( 2 6 ) j ) c 式中；蹦算后混凝土弹模； 岛一原混凝土弹模： 锚杆截面积； 岛铜材弹模； & 混凝土截面积。 2 3 2 网喷混凝土的力学模拟 洞室开挖后，应立即喷射混凝士，及时封闭围岩暴露面。由于混凝土喷层 与岩壁密贴，故能有效地隔绝水和空气，防止围岩因潮解风化产生剥落或膨胀， 避免裂隙中充填物流失，防止围岩强度降低。此外，高压高速喷射混凝土时， 可使一部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节理中，起胶结和加固作用，提高围 岩抗剪强度。含有速凝剂的混凝土喷射液，可在喷射后2 1 0m i n 内凝固，及时 向围岩提供支护抗力，使围岩表层岩土体由未支护时的二向受力状态变为三向 受力状态，提高了围岩强度，如图2 3 所示。 i 然 f n 、! 矧l 量l 一 图2 3 混凝土喷层的力学作用示意 混凝土喷层中的钢筋网具有防止收缩裂缝，使喷层应力分布均匀，增强锚 喷支护的整体性，增强喷层的柔性等作用。 q q q q剑吲 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 在有限元计算中，喷层常作为弹性材料采用梁单元或板壳单元来进行模拟。 对于喷层中的钢筋网作用，在计算中常常作为安全储备考虑，也可通过提高混 凝土喷层参数值来近似模拟。 2 4 小结 阐述了洞室旌工力学的基本概念和特点，钎对地下工程开挖模拟，介绍了 三种常用的计算方法，比较分析了其特点和进行开挖模拟时的难点。 对地下洞室常见和主要的支护结构，分析了其力学效果以及在有限元计算 中的实现 龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 第三章龙滩水电站地下厂房洞室群围岩稳定性分析 3 1弹塑性有限元基本理论 排水条件下，正常同结粘土和松砂的试验曲线表明：在硬化阶段，材料体 积因受压丽缩小；对于超固结粘土或密实砂，曲线分为硬化和软化两阶段。岩 土应力一应变曲线存在弹塑性耦合现象( 弹性参数将随塑性变形的发展而变 化) ，且常在硬化后期就开始出现体积膨胀。但在实际处理上，则认为硬化阶段 体积收缩，软化阶段体积膨胀。为了能更好地反映岩土( 体) 的硬化和软化特 性，通常采用在m o l - c o u l o m b 锥面( 或d r u c k e r - p r a g e r 锥面) 上加一个帽盖， 即所谓的帽盖模型或双屈服面模型，帽盖模型的优点是可以照顾到材料在静水 应力下能产生塑性体积应变这一事实，这样可以反映岩土( 体) 不仅有剪切屈 服，而且有体积应交屈服这一事实。而剪切型开目的锥形单屈服面，无法完全 反映岩土材料的屈服特性，但由于其数学表达式简单、计算参数少且容易获取， 故仍常被采用。此外，m o h r - c o u l o m b 条件由于在棱角处有奇异性，所以应用 起来比较麻烦。故常采用d m c k e r - p r a g e 条件。 3 1 弹塑性体力学模型概念 地下结构所涉及的材料介质一般既有弹性性质，又有塑性性质。当应力小 于材料的屈服极限时，反映为弹性；当应力等于或大于屈服极限时，则反映为 塑性。下面介绍两种用弹簧和滑快的组合模型来表示这种物体的模型。 ( 1 ) 理想弹一塑性体 以弹簧( 滤光体) r 与滑块( 圣维南体) 串联的力学模型表示的物体，