（工程力学专业论文）大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 结合自山水电站地下厂房开挖工程，在现场地质调查和场区地勘资料分析的基础 上，根据工程区地质力学环境条件，建立了能够反映研究区地貌、岩体结构和地应力环 境条件的力学模型，采用a n s y s 有限元软件对地下厂房的开挖和支护过程进行数值模拟 分析。 对地下厂房开挖的数值模拟主要是计算开挖面围岩变形情况和衬砌的应力和荷载 以及监控开挖面围岩的稳定性。地下洞室的开挖是将开挖边界上的初始应力释放，从而 引起洞室围岩的应力场重新分布。对地下厂房洞室围岩的稳定性进行分析，采用二维弹 性有限元模型和分六层开挖方式模拟开挖方式。通过有限元数值模拟计算出每一步开挖 边界上节点力，并作为下一步开挖的等效节点力施加在开挖边界上。数值模拟结果表明， 开挖过程中进行支护可以改变应力场和位移场分布，明显的减小围岩的拉应力集中区 域。 现场监测的主要目的是：监控洞室变形、检测选择的施工方式是否得当、量测结构 构件中的应力发展、掌握洞室围岩的变形情况，并指出是否需要对围岩和支护进行加固。 使用多点位移计对开挖过程中的围岩变形情况进行监测。监测结果表明，使用喷射混凝 土支护可以保证围岩的稳定性。从围岩变形的监测结果和计算结果对比可知，监测结果 和计算结果比较吻合。根据有限元数值模拟结果，计算衬砌的强度安全系数，研究衬砌 厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响。结合工程设计规范标准，探讨最小衬砌安 全厚度，对支护结构的安全性进行分析。 关键词：大跨度地下厂房；数值模拟；围岩稳定性；安全监测 大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ne x c a v a t i o np r o c e s so fl a r g e - s c a l eu n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e sw i t hf e m a b s tr a c t t h eg e o m e c h a n i c se n v i r o n m e n tc o n d i t i o n so ft h eb a i s h a n h y d r o p o w e r s t a t i o n p o w e r h o u s ea r ea n a l y z e db a s e do nt h el o c a lg e o l o g yr e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i so fg e o l o g i c p r o s p e c t i n gd a t a am e c h a n i c a lm o d e li sd e v e l o p e dt od e p i c tt h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h e r e s e a r c ha r e a t h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r tp r o c e s s e sa r es i m u l a t e db yt h ea n s y s t h em a i np r o b l e m so fs i m u l a t i o no ne x c a v a t i o no fp o w e r h o u s ea r et h ee v a l u a t i o na n d c o n t r o lo fd e f o r m a t i o n sa n ds t a b i l i t yo fe x c a v a t i o nf r o n t 1 0 a d sa n ds t r e s si nt h el i n i n g i n 0 r d e rt oi n v e s t i g a t es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko fc a v e r r l f i n i t ee l e m e n tm o d e la n d s e q u e n t i a le x c a v a t i o np r o c e d u r e sw e r ep r o p o s e d n ee x c a v a t i o np r o c e s si ss i m u l a t e ds t e pb y s t e p 1 1 h en u m e r i c a lm o d e l i n gr e l i e so nat w o - d i m e n s i o n a la n a l y s i s ，i m p l e m e n t i n ge l a s t i c c o n s t i t u t i v em o d e l t h ee x c a v a t i o np r o c e s si sd i v i d e di n t os i xl o a d i n gs t e p sf o rs i m u l a t i o no f t h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o nd u et oe x c a v a t i o n t h ev a r i a t i o nd u et ot h ee x c a v a t i o no ft h es t r e s s s t a t ei nt h er o c km a s sc a l lb ee v a l u a t e dt h r o u g haf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nw h i c he q u i v a l e n t n o d a lf o r c e s ，c o r r e s p o n d i n gt ot h er e l e a s eo ft h ei n i t i a ls t r e s s ，a r ea p p l i e dt ot h ec o n t o u ro ft h e c a v e r n s t r e s s e si nt h ee x c a v a t e de l e m e n t sa r ec o n v e r t e di n t of o r c e sa l o n gt h ee x c a v a t i o n b o u n d a r ya te a c hs t a g er e p r e s e n t i n gt h ec o n s t r u c t i o na d v a n c e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h el i n i n gh a so b v i o u si n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o no fd i s p l a c e m e n ta n df i r s t p r i n c i p a ls t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c ka n dm a k e st h et e n s i l es t r e s sz o n e sd e c r e a s e t h em a i no b j e c t i v e so fi n s i t um o n i t o r i n gi n c l u d e ：t oc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o n so ft h e c a v e r n ，t ov e r i f yt h a tt h ea p p r o p r i a t ee x c a v a t i o nm e t h o dw a ss e l e c t e d ，t om e a s u r et h e d e v e l o p m e n to fs t r e s s e si nt h es t r u c t u r a lm e m b e r s ，a n dt oi n d i c a t ep r o g r e s s i v ed e f o r m a t i o n s ， w h i c hr e q u i r es u p p o r ts t r e n g t h e n i n g i nm o n i t o r i n gt h es t a b i l i t yo fc a v e r n ，t h ed i s p l a c e m e n t s o fs u r r o u n d i n gr o c kw e r em e a s u r e dd u r i n ge x c a v a t i o n t h ef i e l dm e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h es u r r o u n d i n gr o c k o fc a v e r ni ss t a b l ew h i l et h es h o t c r e t ew a sd e s i g n e da st h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e s b yc o m p a r i n gt h en u m e r i c a ld e f o r m a t i o n sw i t hm e a s u r e do n e s ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t e dr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t hi n s i t um e a s u r e dv a l u e s t h es i m u l a t i o no f e x c a v a t i o ni sc a r r i e do u tb yu s i n gt h en u m e r i c a lm e t h o d t h ei n t e r n a lf o r c ea n ds a f e t yf a c t o r o ft h el i n i n ga r ec a l c u l a t e dt oe v a l u a t es t r u c t u r es e c u r i t y t h ee f f e c to ft h i c k n e s sc h a n g i n go n l i n i n gs a f e t yf a c t o ra n ds t r u c t u r es t a b i l i t yi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：l a r g e - s c a l eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k ：s a f e t ym o n i t o r i n g 一一 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 太整廑地王 崖五撞过猩鲍查医五数焦搓赵 作者签名：丝查羹日期：壅塑年垒月2 生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1选题来源及其实际意义 科学技术的进步，使得地下工程修建技术水平得到高速发展。现代化建设的要求， 也使地下工程渗透到了经济建设的各个方面。目前，地下工程归纳起来大致有：人类生 存和安全而利用的地下工程( 如各种储藏设施、地下住宅等) 、城市现代化发展而利用 的地下工程( 如城市有轨交通系统、道路隧道、上下水道等) 、大规模国土的有效利用 ( 如城市间、国家间的交通设施) 、防御和减少灾害而利用的地下工程( 如人防工程、 各种储备设施、防御洪水灾害的地下河、地下坝等) 等【- 2 1 。 随着世界地球村化和科技的日新月异，人类对能源的需求呈剧增趋势。然而，煤、 石油、天然气等不可再生资源的日益枯竭，人类对再生能源、环保能源的需求日渐突出， 尤其近十几年引发的几次石油危机，更促使很多国家下定决心发展自己的能源战略，减 少对石油等能源的依赖，其中首选的就是水能。近些年来，特别是一些发展中国家，在 开发石油、煤等不可再生资源的同时，还大力发展自己的可再生资源水电资源 3 1 。 我国可开发的水能资源装机容量居世界之首，但大部分集中在高山峡谷之中，很多 水利设施不得不采取地下结构 4 1 。地下水力发电站多设在山区坚硬岩石层中，其特点是： 不受地形的制约，可自由选择位置，能充分利用落差；不用担心雪害、冰害以及落石的 危害，在寒冷气候条件下也能正常运转；构造物不露出地面，对自然环境损害小；与气 候、气温无关，可全年进行施工和生产。缺点是在地下修建大洞室，地质条件对建设费 用的影响比较大。目前，我国水利地下工程呈现如下特点：引水隧洞埋深增大，导流泄 洪洞断面增大、跨度增大，边墙增高，隧洞承压水头增大和地下洞室群的大型化与复杂 化。大型地下洞室的功能要求复杂、地质条件复杂、施工条件恶劣。在施工过程中，各 工序配合与干扰错综复杂，而且还受到其他众多因素影响与限制。因此，在安排各个洞 室施工先后顺序及隧洞施工程序时，需要顾及其对工程的总工期、围岩稳定、施工强度、 各个工作面的干扰程度以及交通运输等问题的影响。大断面洞室通常都不可能一次爆破 形成，在同一断面内需要分成若干块交错向前推进，而这些块之间的不同组合将形成若 干个开挖方案。不同开挖方案将引起不同的围岩变形和支护结构受力。如锦屏二级引水 隧洞埋深达2 5 2 5 m ，从锦屏二级水电站所有引水隧洞的长度、截面和埋深来看，这是世 界上目前综合规模最大的水工隧洞；已建成的二滩电站导流洞和天目湖抽水蓄能电站断 面与水头达4 0 3 m z 和1 0 7 4 m ；1 9 9 1 年建成的太平驿引水隧洞长达l o k m ：二滩地下主厂 房为2 8 0 3 m x 2 5 5 m 6 3 9 m ；已完工的大朝山地下主厂房为2 3 3 3 m 2 6 4 r e x 6 2 9 3 m ， 大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟 洞挖量为1 1 3 3 6 m 3 ，呈洞室群布置；而广州抽水蓄能电站，在不到0 3 k m 2 范围内布置有 主变室、尾闸室、尾水调压井、母线洞、电缆洞、引水支洞、交通洞及排风洞等洞室， 累计长度超过3 0 k i n ，加之1 5 2 m x 2 2 m 5 9 4 m 的厂房，结构相当复杂，布置相当紧凑 【5 l 。这些水电站多数位于崇山峻岭、悬崖峭壁之间，有的厂房、引水隧道或进出水口都 深埋在地下、山体中，在建设这些大断面、高难度、大跨度的地下工程的过程中，会碰 到很多难以想象的问题，这给“地下 研究者们提供了难得的机遇。 但也不乏有工程失事、失稳的例子，像奥地利格尔乐斯压力隧洞地基沉陷；巴基斯 坦塔贝拉水电站泄洪隧洞强烈振动几乎破坏了出口附近所有建筑物；印度巴拉克导流隧 洞明满流交替造成严重事故；河北于桥泄洪洞和四川沙滩河水库引水洞洞口坍塌失稳； 江西柘林水库防空洞出口水流涌浪严重冲刷引起大塌方：云南南盘江天生桥二级水电站 1 # 调压井升管坍塌；四川岷江太平驿水电站发电洞顶拱衬砌坍落与开裂；西藏羊卓雍湖 水电站引水洞顶拱破坏；贵州大七孔电站引水隧洞混凝土衬砌局部洞段严重损坏；云贵 北盘江响水电站高压钢管失稳等1 4 1 。这些失事、失稳虽然不排除设计、施工或管理不当 的因素，但这就凸现出在施工期或者运行期岩土工程安全监测的重要性。如果上述工程 监测结果能够及时返回、处理，就可能因采取适当设施而避免。例如，1 9 8 1 年8 月，黄 河上游龙羊峡水电站遭遇1 5 0 年一遇的特大洪水，通过对4 8 支埋设在围堰混凝土心墙 中的监测仪器进行分析，得出围堰可再加高4 m 的决策，顺利的度过了汛期并且确保了 工程安全施工 6 1 。安全监测在实际工程中有着重要作用，通过安全监测能够及时获得第 一手监测资料，以期掌握建筑物的工作性态，为评估建筑物的安全状况提供必要的依据， 从而在出现不安全迹象或险情时，能够对异常部位做出合适的措施进行加固或维修，并 且发出警告减少事故损失和人员伤亡；它还能通过分析长期的监测资料，对建筑物未来 的工作性态做出合理的预测【卅。本文将对大跨度地下厂房在未支护和支护两种工况下的 开挖过程进行模拟计算，并对支护工况下的数值计算结果和现场监测结果分析对比，从 而分析围岩的稳定性和支护结构的安全性。 1 2 研究背景 地下工程所处的环境条件不同于地面工程，很长一段时间都是沿用适用于地面工程 的理论和方法来解决在地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确的阐述地下工 程中出现的各种力学现象和过程，使地下工程长期处于“经验设计和“经验施工 这 种局面。这与迅速发展的地下工程的现实是极不适应的，因此寻求用于解决地下工程问 题的新理论和方法，已成为近些年来地下工程研究的重点，由此形成了一个以岩体力学、 工程地质力学、结构力学、弹塑性力学等为基础的工程力学的一个重要分支即“隧道力 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 学。地下施工的基本目的是在各类岩体中修筑为各种目的服务的、长期稳定的洞室结 构体系，这个结构体系是由周围地质体和各种支护结构组成的。它的修筑是通过一定的 施工过程或者说力学过程来实现的，从开始施工到基建工程结束要经过较长的一段时 间，在这个过程中一般要破坏岩体原有的物理和力学平衡，而想要达到新的平衡和稳定 状态，岩体内的物理力学诸因素需要有一个调整转换的过程，这些内部因素往往是互相 耦合、互为因果的。地下施工过程是一个时间和空间不断变化的过程，在地下工程施工 期和运行期间，围岩稳定性与所采用的开挖途径和方法有关。这是因为施工中岩体边界 在时空域中是不断变化的，从力学角度讲，这是一个非线性过程，与最终状态、应力路 径等相关。复杂岩体工程中的工程施工受到自然因素不确定性的影响，是个开放性的系 统，使得围岩稳定性及经济性的估计判断和分析成为一个复杂的系统工程，要全面、正 确地认识各种因素的影响，不仅要研究自然因素( 如地质条件、初始地应力、岩土体的 力学特性等) ，还需要研究工程因素。 目前，国内外大多数地下厂房的施工是采用新奥法，充分利用围岩的自身承重能力 和施工期围岩变形信息的适时反馈是新奥法施工的精髓。大跨度地下厂房的开挖，势必 引起地下厂房围岩变形场和应力场的调整，过大的变形和应力集中都会造成围岩的破 坏，对洞室的稳定性产生影响。数值模拟方法在研究地下工程围岩稳定性方面具有十分 明显的优势，已经成为围岩稳定性评价中不可或缺的方法，在模型实验和经验设计方法 不能够很好的完成围岩稳定性评价的情况下，数值模拟方法就充分体现了其优越性。因 此，对地下厂房开挖过程的数值模拟计算一直是工程地质学分析方法中的一个重要组成 部分，特别是近些年来，随着计算机技术和数值计算方法的飞跃发展，从二维到三维， 从静态到动态，计算的精确度、可靠度的不断提高，加之大量工程实例的验证，使得数 值模拟计算方法日益成为岩体稳定性评价中不可或缺的手段【射。近年来，数值分析理论 和方法受到很多学者的关注，也得到极大的发展，如快速拉格朗日有限差分数值方法 ( f a s tl a g r a n g ea n a l y s i so fc o n t i n u a ，简称“f l a c 法) ，f l a c 程序中采用多种类型的 力学本构模型，如摩尔库仑弹塑性模型、应变硬化软化模型、节理模型等来模拟非线 性、大变形及不可逆等地质材料的变形特征，还可以采用梁、锚杆、桩及支柱单元来模 拟支护结构。数值分析法主要指有限元法，它对模拟地下工程开挖施工以及分析围岩和 整个支护体系的稳定性具有重要的理论意义，可以考虑较多的初始条件和岩体及支护结 构的特征。 对于地下工程的开挖与支护工程进行数值模拟是一个非常复杂的问题。尽管近些年 来随着计算技术与计算机技术的发展，岩土工程的理论和工程实践都上了一个新台阶， 许多新的数值计算方法也在地下工程中得到广泛的应用，但目前的计算结果与工程实测 一3 大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟 结果还存在一定的差距。提高地下工程数值分析的可靠性，与计算模型的选取以及假定 和实际情况的差别大小有关。因此，建立更能反映实际情况的数值模型，考虑更能反映 实际的因素等问题都有待于进一步解决。本文以有限元分析软件a n s y s 作为基本分析 工具，对地下厂房模型的建立、开挖和支护模拟过程的设计、计算结果的输出与分析均 作了的探讨，在模拟分析思路上有所拓展，在工程实践中实现了全过程开挖和支护仿真 分析。 1 3 本文主要研究内容 本文结合白山水电站的工程建设实际，在现场地质调查和场区地勘资料分析的基础 上，分析了工程区的地质力学环境条件，建立了能够反映研究区地貌、岩体结构和地应 力环境条件的力学模型。采用a n s y s 有限元软件对地下厂房的开挖和支护过程进行数 值模拟分析，并对洞室围岩稳定状态进行了分析。主要包括以下内容： ( 1 ) 根据现场地质调查和场区地勘资料分析以及工程区的地质力学环境条件建立能 够反映研究区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型。 ( 2 ) 采用a n s y s 有限元软件对地下厂房的开挖和支护过程进行数值模拟分析。对 无支护和考虑支护两种工况下的围岩应力以及位移情况进行分析比较，确定围岩支护的 必要性。 ( 3 ) 运用有限元数值模拟方法对地下厂房开挖并进行支护的围岩变形情况与现场监 测数据对比，分析围岩的稳定性。 ( 4 ) 模拟计算支护和围岩内力及衬砌的强度安全系数，研究衬砌厚度变化对其安全 系数和结构稳定性的影响，探讨最小衬砌安全厚度，对支护结构的安全性进行分析。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 地下厂房开挖方法以及其影响因素分析 2 1地下厂房开挖模拟研究现状 在对地下厂房模拟开挖的问题上，国外学者b r a d y 和g o o d m a n 提出洞室区岩体的 初始应力场以及洞室开挖过程中围岩应力的变化规律是判断围岩稳定性的条件，也是确 定洞室围岩加固方案的基础。邓肯( j m d u n c a n ) 提出“反转应力释放法 洞室模拟开挖 理论。国内的徐德昌等在浅埋全风化围岩地质条件下，采取台阶式开挖和超前小导管、 钢筋钢拱架、钢管锚杆及网喷混凝土的联合支护措施，完成了隧洞的开挖与支护【9 l 。何 鹏飞采用“平面多工序，立面多层次 的平行开挖交叉作业，自上而下分七层进行开挖、 支护【1 0 1 。杨明举等利用三维非线性有限元以三大洞室开挖顺序不同的三种施工方式，对 地下洞室群进行了稳定计算和分析比较【1 1 】。童伟等基于弹塑性围岩理论，对地下洞室群 的开挖进行了有限元数值模拟，对开挖后围岩的位移场、应力场及塑性区特征进行了比 较分析【1 2 l 。孙红月等以地应力实测结果为参照依据，采用线性有限元法反演分析了初始 地应力场，采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的 围岩应力和稳定性状况【1 3 l 。乐成军等采用三维非线性有限元方法对某电站地下厂房主洞 室施工开挖过程进行数值模拟计算，基于计算成果，研究地下厂房开挖过程中洞室围岩 及岩锚吊车梁的变形状态、应力状态、屈服区分布以及整体稳定性【1 4 】。刘元勋等在实测 资料的基础上，用非线性有限元对厂房开挖后围岩内的地应力重分布和塑性区分布作了 分析，评价了厂房围岩的稳定性【1 5 1 。于德海等采用非线性三维有限元法，对其动态开挖 过程进行了数值模拟分析，并优化选择了地下采场洞室的开挖顺序和开挖跨距，模拟了 地下洞室的三维立体结构和动态开挖过程，并根据围岩的应力、位移、塑性区范围、安 全率状况等力学稳定性指标对多种方案进行了定量分析【1 6 1 。桂惠中等采用了三维有限差 分程序f l a c 3 d 对某地下洞室施工开挖过程围岩稳定进行数值模拟分析【1 刀。张练等对地 下厂房洞室围岩的稳定性进行了二维弹塑性有限元计算，对围岩的应力与变形进行了分 析，探讨了施加系统锚杆和喷射混凝土等支护措施对围岩的加固作用【1 引。邬爱清等采用 有限元数值计算、工程岩体分析、围岩块体分析等分析手段对地下厂房围岩稳定性问题 进行了研究，并对围岩稳定性及必要的支护措施进行了讨论【1 9 】。曾静等采用三维快速拉 格朗日法( f l a c 3 d ) 模拟施工开挖过程，研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状 态，分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性【加】。赵芹等运用有限元 计算方法模拟了施工开挖过程，研究有无系统锚杆支护两种工况下地下厂房主要洞室分 期开挖过程中的围岩变位与稳定性【2 l l 。余卫平等采用有限元方法反演某水电站地下厂房 一5 一 大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟 厂区初始地应力场，对地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟，提出 了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元【列。白明洲等 使用三维有限元数值分析方法，研究了大跨度、高边墙地下厂房围岩应力场的分布规律， 预测了开挖后围岩破坏区的分布范围及最大变形量【2 3 1 。 2 2 地下厂房开挖方法的影响因素 大型地下洞室的开挖过程是一个非常复杂的系统工程，它受到工程所处自然条件、 施工技术水平及相应机械设备配置、通道条件、洞室空间结构形式、支护形式、施工安 全、施工质量、环境控制等多重因素影响，且这些因素是相互影响，相互制约的。这在 一定程度上增加了地下洞室开挖的难度，使不同大小及类型的地下空间在开挖方法及程 序的制定上有着很大的不确定性，可以说“地下建筑没有一个通用的、固定不变的施工 方法” 2 4 1 。但是，这并不意味着地下洞室的开挖就完全没有规律可循了，如果我们掌握 了其主要的影响因素，并且弄清这些因素之间相互的因果和制约关系，那么在施工程序 拟定的过程中就能从总体上把握开挖涉及到的多方面问题，做到考虑周全，但又主次分 明。本节主要结合水电建设中地下厂房系统的施工来分析大型地下洞室开挖方法的几个 主要影响因素，并提出地下洞室开挖方案选择的初步建议。 2 2 1 断面尺寸及体形特征 在围岩稳定性较好的情况下，洞室断面的形式及大小对洞室开挖方法的影响显著。 当施工机械和技术装备一定时，对于断面尺寸比较小的隧洞，可以采用全断面掘进，但 对于跨度和高度比较大的洞室，则有可能只能采用分部开挖法。水利水电地下开挖工 程施工技术规范s d j 2 1 2 8 3 丛】中根据隧洞及洞室断面大小将其分为四类： ( 1 ) 小断面：面积小于2 0m 2 或跨度小于4 5 m ； ( 2 ) 中断面：面积为2 0 5 0m 2 或跨度为4 5 7 5 m ； ( 3 ) 大断面：面积为5 0 1 2 0m 2 或跨度为7 5 1 2 m ； ( 钟特大断面：面积大于1 2 0m 2 或跨度大于1 2 m 。 实际施工中，应根据洞室的形状特征及断面尺寸采用合适的开挖方法。在使用现代 化的施工设备以后，大断面洞室开挖较多的使用了全断面方法，全断面开挖的最大断面 达到了1 2 x 7 5 m 2 ，而对特大断面洞室，台阶法成为优先考虑的方案，台阶法开挖的最 大断面为2 1 2 x2 5 4 m 2 。针对围岩地质条件比较好的洞室，可知嗍： ( 1 ) 相对于同等大小的城门洞形洞室，圆形洞室基本上都没有采取全断面开挖，较 多的使用了台阶分层开挖，而且在上半部分采用了导洞超前的方法，这样不仅有利于上 部后续的支护作业，而且使洞室一次开挖后的底面是平面，较好的解决了洞室必须作为 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 施工通道的问题； ( 2 ) 在使用三臂凿岩台车的情况下，对城门洞形洞室，高度和跨度成为考虑施工方 法的一个重要依据：高度和跨度均小于l o m 的洞室，优先考虑使用全断面法；高度和跨 度相当，且均在1 0 1 5 m 之间的洞室，可以采用中下导洞超前全断面开挖法；高跨比大 于1 ，且高度在1 0 1 5 m 之间的洞室，使用台阶法比较适合；高度大于1 5 m 的特大断面 洞室，则必须使用台阶法开挖，且上层开挖要考虑导洞超前。另外，高跨比比较小，即 矮宽型的洞室，可以使用中导洞超前、两侧扩挖的方法( 侧台阶法) ，这点对于台阶法分 层后的上层仍然适用。使用台阶法开挖的洞室下层基本上都采用竖直孔梯段爆破，不仅 加快了开挖速度，而且使爆破效率提高，降低了工程成本。对于属于超大断面的地下厂 房，一般采用台阶法分层开挖，施工中首先确定合理的分层方案，然后大体上遵循自上 而下的顺序逐级开挖。厂房上部顶拱的开挖利用凿岩台车钻孔，周边光面爆破，因为厂 房跨度大，所以施工中采用导洞( 中导洞或者两侧导洞) 超前的方式；厂房中部开挖则利 用液压钻或潜孔钻钻大孔径竖直孔，梯段爆破开挖，这样可以大大提高爆破效率，同时 为了减轻爆破震动对岩锚梁及边墙的影响，一般会采取边墙预裂或者预留保护层等措 施；厂房下部则主要利用引水隧洞和尾水洞作为施工通道，开挖仍以台阶爆破为主，但 由于厂房下部机坑结构复杂，所以可能会采用不同的钻爆方式。另外，洞室的长度也是 洞室开挖时必须考虑的一个因素，当洞室较短时，使用综合开挖方法( 水平孔加竖直孔) 是不经济的。在小湾、三板溪地下厂房的母线洞开挖中，虽然采用了台阶法开挖，但是 台阶下部仍然使用凿岩台车钻孔，节省了机械转场时间，使整个开挖过程变得简单 2 7 , 2 s 1 。 2 2 2 围岩稳定因素 大型地下洞室断面尺寸大，而且相互之间空间关系复杂，在施工中必须充分考虑到 影响围岩稳定的各方面因素。在施工机械设备和技术水平一定的条件下，保证洞室围岩 稳定成为选定合理的施工方法和施工程序的一个重要依据。一般水利工程地下洞室在选 址( 线) 时充分考虑到了岩石地质条件的因素，尽量避开了不良地层，但这并不排除在个 别地段或洞室的某些部位仍可能会碰到岩石比较破碎、成洞条件较差的情况。在不良地 层中施工，关键的问题是如何防止围岩坍塌，把预防塌方的工作做在前头；而在围岩稳 定性较好时，是要充分利用围岩稳定这一有利条件，实现快开挖，快成洞。不同地质条 件下的洞室开挖不仅指导思想不同，而且方法和程序上也存在较大的差别。：水利水电 地下开挖工程施工技术规范s d j 2 1 2 8 3 瞵l 中根据围岩的工程地质特征将地下工程围岩 分为五类，将规范中列举的毛洞稳定状况及临时支护措施摘录列表一如下： 一7 一 大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟 i稳定 i i基本稳定 稳定性较差 稳定性差 v不稳定 成形好，无坍塌掉块现象一般可不支护 开挖中局部有掉块落石现象，长时间暴露，局部有小坍落局部支护 成形稍差，无支撑时产生尘挚篓坍落，高边墙侧壁有时局 一般需要支护 t ”，p1 ：4 一。 日p 7 儡 成形差，项拱一般因坍塌而超挖，无支撑时可产生较大坍 帚士士 塌，边墙有失稳现象 ”o v 成形很差，围岩极易坍塌，甚至出现地表下沉或冒顶加强支护 实际施工中一般把、v 类围岩视为不良地质，不良地质地段一般特征包括岩体松 散、软弱破碎、膨胀、岩溶、多水、偏压、高地应力等。在不良地质段开挖洞室时，应 在地质预报的基础上，坚持预防为主的方针，一般要采取先支护后开挖或边开挖边支护 的方案，并且在成洞方法上也要相对作出调整。当洞室围岩稳定性较好时，可以充分利 用大型施工机械采用全断面或者台阶法快速掘进，支护可以延后一段时间；而在围岩地 质条件稍差的情况下，则支护可能要紧跟掌子面进行；当围岩地质条件很差时，可能要 对岩体采用预灌浆或超前支护等加固手段后再进行钻爆开挖，并且必须遵循“短进尺、 多循环、弱爆破”的原则，开挖后要及时进行喷锚支护，必要时还需采用钢支撑或钢格 栅加强支护，以确保围岩稳定；当岩石特别松散破碎时，在施工中还要考虑采用支撑拱 法或者支撑核心法等特殊的分步施工方法，以减小围岩一次暴露的面积。总的来说，在 各种围岩条件下，必须根据实际情况解决好开挖与支护的关系四删。 2 2 3 施工机械 地下洞室开挖过程中所使用的施工机械对总体方案的影响巨大，有时甚至是决定性 的。在1 9 8 5 年鲁布革水电站施工以前，国内的水利工程隧洞施工中基本上使用手风钻 钻孔爆破，开挖速度慢，工效低，并且在开挖过程中还必须在施工出碴和通风等问题的 考虑上花费相当多的精力。现代化施工机械，特别是大型凿岩钻孔机械的使用，大大提 高了地下工程的开挖速度，并且使原先存在的交通和通风难题相对变得简单。 现代化施工机械的使用可以加快施工进度，简化施工程序，但是各种施工机械性能 上的差异也会对施工程序造成一定的影响，特别是在大型地下洞室分层开挖的过程中， 必须兼顾钻孔机械的外形尺寸和作业范围，以期选定合理的开挖断面，充分发挥现有施 工机械的作用。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 4 爆破震动因素 在地下工程钻爆法开挖的过程中，爆破引起的震动可能会对围岩及相邻洞室产生影 响，并且在一些特殊的部位，出于保护某些重要部位或设施的需要，爆破震动可能会成 为阻碍快速掘进的主要因素。工程中普遍以质点震动速度作为爆破震动控制的依据，爆 破安全规程( g b 6 7 2 8 6 ) 【3 l 】中对各类洞室的安全震动速度规定如下：( 1 ) 水工隧洞， l o c m s ：( 2 ) 交通隧洞，1 5 o c m s ；( 3 ) 矿山巷道：围岩不稳定、有良好支护，1 0 0 c m s ； 围岩中等、有良好支护，2 0 0 c m s ；围岩稳定、无支护，3 0 0 c m s 。在地下洞室掘进 中，爆破质点震动速度跟掏槽孔药量及循环进尺存在很大的关系，为了降低爆破震动的 影响，地下洞室开挖中可以降低掏槽孔装药量和减小排炮循环进尺。另外，还应合理运 用光面爆破和预裂爆破技术，以确保开挖轮廓，减少爆破震动对围岩及相邻建筑物的影 响。 2 2 5 其他因素 地下洞室开挖还受到施工辅助工程、施工进度等其他一些因素的影响。例如，在一 些长大洞室的施工中，一般会采用导洞领先，两侧扩挖跟进的开挖方法，但是当独头掘 进长度较大时，洞室中通风状况将会变得糟糕，而且由于大断面洞室开挖工程量大，钻 孔、爆破、运输等造成隧洞内的空气污染程度较高，在这种情况下可以加快开挖导洞， 在导洞贯通后再扩挖，这样可以实现纵向式通风，改善洞室通风条件。另外，地下洞室 开挖还受到施工通道的制约，这方面的影响既包含本身可利用的施工通道条件，也包括 为相邻洞室施工提供通道的考虑。对于施工进度、岩层走向等因素，也对地下洞室开挖 方法有一定影响。 2 3 地下厂房开挖方法研究 地下厂房不仅具有跨度大、边墙高、交叉洞室多等特点，而且在施工过程中层次及 工序繁多、技术要求高，这些都给地下厂房的开挖带来了很大的难度。在地下厂房施工 过程中，确定合理的开挖程序和开挖方法，是保证厂房开挖工作安全、快速进行的关键， 特别是厂房顶拱层的开挖，由于其跨度特别大，所以开挖方案选择的正确与否，直接关 系到施工安全和厂房稳定。本文主要结合施工通道条件、厂房的结构特点、施工机械性 能、相邻洞室及相关构筑物的施工需要等因素，确定了厂房使用钻爆法，分层开挖，边 开挖边支护方案。地下厂房的数值模拟开挖方案将在第四章详细说明。 一9 一 大跨度地下厂房开挖过程的有限元数值模拟 3 地下厂房围岩稳定性研究 3 1地下厂房围岩稳定性理论研究现状 从1 9 世纪人类对松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理论进行研究至今，围 岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、 塑性力学理论 3 2 1 。实际工程中，洞室开挖后由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出 现应力集中现象。如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态， 反之围岩将部分进入塑性状态。随着半解析元法以有限厚条法的形式提出，林银飞、郑 颖人将有限厚条和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限元法，采用大单元内划分 小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性区内采用统一的解析函数级以修正常刚 度增量法为迭代方法，推导出了塑性数矩阵及塑性刚度矩阵，并将其应用于地下工程三 维弹塑性围岩稳定性分析中【3 3 洲。 对于深埋洞室，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩，其本身 就具有明显的流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的研究中。朱素 平等提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳定性的力学分析f 3 5 】。日本 学者西原在岩石流变试验资料的基础上，建立了能反映岩石弹粘弹粘塑性特性的西原 模型。在此基础上，同济大学孙钧通过对围岩支护系统受力机理的充分阐述，得出了 西原模型在隧道围岩支护系统中的有限元解 3 6 1 。1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕 变断裂时首先提出了损伤的概念，后经法国学者l e m a i t r e 与c h a b o c h e 、美国学者 k r a j c i n o v a 等人利用连续介质力学方法，根据不可逆热力学原理，建立了“损伤力学这 一学科后，国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分析中。如日本学者k a w a m o t o 及国内学者孙钧、李术才等吲。其中，学者李术才采用损伤力学方法得到的加锚节理裂 隙岩体的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩体的稳定性和变形行为哪j 。 长期以来，工程界一般按二维平面应变问题来模拟隧道的开挖效应。但实际上，在 掘进面之后距其大约2 以倍洞径或洞跨的范围内，围岩体变形的发展和应力重分布都将 受到掘进面本身的制约。因此，工程师们越来越注重掘进面附近范围内洞室三维空间效 应( 包括掘进面推进时效) 的研究。我国同济大学孙钧及朱合华等对此作了大量的数值模 拟和现场实测研究工作，认为洞室掘进面的空间几何效应在洞轴纵断面方向上表现为 “半圆穹约束，在洞室横断面方向上则表现为“环形 约束。用“位移释放系数 来 反映掘进面对围岩的空间约束程度，提出了广义虚拟支撑力法，并成功地将其应用于洞 室围岩稳定性分析中 3 9 - 4 。 大连理工大学硕士学位论文 3 1 1 数值计算方法 数值分析法是通过对地质原型的抽象并借助有限元等分析方法计算不同情况荷载 下岩体的应力状态和围岩稳定性问题。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计 算方法越来越多地被应用到围岩稳定性的分析中，如有限元法、边界元法、离散元法等。 有限元法是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法，其有限元模型一般有弹性、弹塑性、 粘弹性、粘塑性、粘弹塑性等。为了克服有限元法在无限域问题应用中的限制，b e t t e s s 于1 9 7 7 年提出无限单元这一单元形式。印度的e k u m a r 结合无限单元与有限单元，运 用有限元计算程序，对围岩稳定性问题进行了一系列的计算分析【捌。 ( 1 ) 有限元法 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 自2 0 世纪7 0 年代提出发展至今，日臻成熟， 是目前使用最广泛的一种数值方法，用以求解弹性、弹塑性、粘弹性等问题岬】。其优 点是考虑了地下结构岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布， 并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制【删。在模拟岩体中存 在的断层、节理、裂隙等结构面时，考虑了其非连续性，并按结构面的特征采用不同的 处理方法【4 9 l 。有限元法的应用是否真正有效，主要取决对介质物性的深入了解，即岩体 的各个组成部分在复杂应力及其不断变化的作用下的变形特征、强度特性及破坏规律等 例。有限元法不足之处在于只适用于连续介质，对于非连续介质计算结果不理想【铝j 。 ( 2 ) 边界单元法 上述的有限单元法是对问题的微分近似表达式给出了精确解，它实质上属于微分 法。与微分法相对应的是积分法，又统称边界单元法b e m ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 。 这种方法所涉及的边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化仅在边界上近似，即在 内部问题的外边界或外部问题的内边界上划分单元作近似处理。边界单元法( b e m ) 有直 接法和间接法两类，它们都是利用了简单奇异问题的解析解，并可近似满足每个边界单 元的应力和位移边乔条件。由于该法仅仅限定和离散问题的边界，可把平面问题的重点 转移到边界上来，可有效地使已知问题的维数降低一维，由此减小方程组的规模，提高 计算效率 4 7 1 。总之，边界单元法( b e m ) 可以正确地模拟远处的边界条件，并可保证在整 个材料体内应力场和位移场变化的连续性，与其它计算方法相比，它更适用于均质材料 和线性性态情况 4 6 1 。 ( 3 ) 离散单元法 尽管有限单元法( f e m ) 或边界单元法( b e m ) 将问题域的内部或边界进行了离散化， 但在计算过程中，仍要求保持整体完整性，单元之间决不允许拉开，应力仍保持连续。 离散单元法d e m ( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) 则完全强