發布時間：所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：地下洞室群的合理開挖方案對于圍巖的穩定性和減少支護成本有著極其重要的意義。以某地下泵站廠房開挖為工程背景，建立了三維計算模型，基于快速拉格朗日法 FLAC3D，對三種不同的開挖方案進行了穩定性分析，對分期開挖過程中洞室圍巖的應力
摘要：地下洞室群的合理開挖方案對于圍巖的穩定性和減少支護成本有著極其重要的意義。以某地下泵站廠房開挖為工程背景，建立了三維計算模型，基于快速拉格朗日法 FLAC3D，對三種不同的開挖方案進行了穩定性分析，對分期開挖過程中洞室圍巖的應力場、位移場和塑性區的分布規律進行了分析。提出了較優的可變更的施工順序，為施工設計和現場施工提供了參考依據。
關鍵詞：地下洞室;FLAC3D;數值分析;開挖優化;穩定性分析
0 引言
大型水電工程大多處于高山峽谷之中，其地形地質條件都十分復雜[1-3]，廠房洞室群大多建設在兩岸地下山體中[4-7]。由于大型地下洞室群結構復雜[8-10]，且各洞室之間相互影響，不同的洞室間距、開挖順序和支護方式對地下洞室群圍巖均有重大影響。洞室群開挖存在分期分塊的特點，在各項措施中，如何選擇最經濟有效、最安全的開挖方案，是與工程實際相結合的最優化問題。選擇合理的開挖順序，不但可以縮短地下洞室群的施工工期，而且有利于圍巖的穩定和減少支護成本。
本文基于 FLAC3D 數值分析軟件平臺，對地下廠房洞室群在分級開挖過程的穩定性進行模擬計算。為了分析洞室群開挖步序的合理性，對比研究了三種擬定開挖順序下的地下洞室群圍巖在分級開挖過程中位移場及圍巖塑性區演化規律，揭示可能的圍巖失穩方式及失穩部位。
1 工程概況
某水利工程取水樞紐從取水口至出水池段，沿線長約 6.2km，設計取水流量 20m3 /s，泵站裝機容量 8.4 萬 kW。包括取水口、引水隧洞(1# 隧洞)、調壓井、引水壓力管道、地下泵站、出水壓力管道、出水池建筑物。
該地下泵站廠區主要建筑物由地下泵站 (包括主泵房、副廠房和安裝間)、通風機室、出水閥室、電纜豎井及連接洞、交通洞、通風洞、灌漿排水廊道、地面廠區等建筑物組成。
該地下泵站圍巖巖體結構為層狀結構，地下泵站系統以Ⅲ類圍巖為主，局部分布有Ⅳ類圍巖，以頁巖為主。主泵室部位Ⅲ類圍巖約占 85%;Ⅳ類圍巖約占 15%。下泵站范圍內發育的裂隙有兩個顯著的特點：首先就是 NE 向陡傾角裂隙發育，其次為垂直 NE 向一組 NW 向裂隙發育，緩傾角裂隙主要為層間裂隙。結構面多泥鈣質充填或無充填。
主要邊墻巖性為奧陶系中統(02)灰巖、白云質灰巖夾泥灰巖;下統(01)灰巖、白云質灰巖、條帶狀灰巖夾泥灰巖。
邊墻大部分鉆孔巖芯多為長柱狀，巖體完整性較好，圍巖為Ⅲ類。右側頂拱位置，邊墻中部及下部位置，鉆孔巖芯相對較為破碎，多為碎塊狀。此范圍內邊墻巖體相對較為破碎，為Ⅲ~Ⅳ類圍巖。
2 FLAC3D 的基本特點
計算分析采用國際通用的大型三維數值計算分析軟件 FLAC3D 進行計算。
FLAC3D 是快速拉格朗日分析方法，它采用顯式或隱式有限差分，可以模擬巖土或其它材料的力學行為。 FLAC3D 將計算區域劃分為若干四面體單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構關系，如果單元應力使得材料屈服或產生塑性流動，則單元網格可以隨著材料的變形而變形，這就是所謂的拉格朗日算法。由于采用了顯式或隱式有限差分格式來求解場的控制微分方程，并應用了混合單元離散模型，所以它可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有其獨到的優點[11]。
3 三大開挖順序方案
根據其它工程經驗，地下洞室采用分層開挖，計算中應按邊開挖、邊支護模擬，即開挖一層、支護一層，下層的開挖應在上層支護完成后再開始。地下廠房邊墻不同高程分別與交通洞、通風洞、泵站支洞等洞室相貫通。開挖中按照小洞貫大洞(室)即小洞提前進入大洞的原則進行開挖。小洞洞口先進入廠房，進行鎖口和系統支護后才能進行廠房邊墻的開挖。主泵房分層開挖施工可考慮與出水閥室同高程開挖同步進行和不同步錯層施工三種方案。
本節取較有代表性的 4# 機組的模型對地下廠房洞室群在分級開挖過程的穩定性進行分析，對比給出的三種開挖方案，確定較合理的開挖順序。三種開挖方案的具體開挖順序如圖 1。將主泵房分為 6 個部分從上至下按順序開挖，出水閥室分為 2 個部分從上至下按順序開挖，其他的交通洞等作為單獨部分進行開挖。方案 1 是主廠房，出水閥室，以及交通洞等同時開挖;方案 2 為主廠房開挖至第 4 部分后，出水閥室開始開挖，交通洞等與主廠房同時開挖;方案 3 為主廠房 6 部分開挖完成后，再進行出水閥室的開挖，交通洞等與主廠房同時開挖。
為了進一步說明地下廠房各工程部位在分級開挖過程中的變形特征，對該機組段的橫剖面，分別在主泵室、出水閥室中選擇洞室拱頂以及上下游邊墻中部圍巖選取關鍵點，計算后提取關鍵點點的位移值。選取的關鍵點示意圖參見圖 2。
4 計算范圍與計算模型
建立了該工程中某一機組的三維洞室模型在FLAC3D的基礎上進行穩定性分析計算。模型包含了該機組的主泵房、出水閥室、灌漿排水廊道、泵站 1 號、2 號、3 號支洞等。其中圍巖巖體力學參數選取Ⅲ類圍巖參數，彈性模量為 27GPa，泊松比為 0.26;破碎參數選取Ⅳ類圍巖，彈性模量為 0.8GPa，泊松比取為 0.23。4# 機組三維模型共劃分 141246 個單元，27583 個節點。4# 機組廠房網格圖如圖 3 所示。
第一、二種開挖方案開挖部分 6 步進行，第三種開挖方案開挖部分 8 部進行，分析比較了三種不同的開挖順序時，洞室圍巖塑性區范圍如圖 4~圖 6。
根據計算，方案 1 開挖完成后，主廠房洞室圍巖塑性區 范 圍 為 4018.67m3 ， 出水閥室圍巖塑性區范圍為 1097.61m3 ，合計總塑性區為 5116.28m3 。方案 2 開挖完成后，主廠房洞室圍巖塑性區范圍為 3853.48m3 ，出水閥室圍巖塑性區范圍為 809.73m3 ，合計總塑性區為 4663.21m3 。方 3 開 挖完成后，主廠房洞室圍巖塑性區范圍為 3949.50m3 ，出水閥室圍巖塑性區范圍為 668.64m3 ，合計總塑性區為 4618.14m3 。因此可以看出，無支護條件下三種開挖順序中方案 1 的塑性區總體積較大，方案 2、方案 3 的塑性區總體積較小，對周圍圍巖的擾動較小。
分別計算了三種開挖方案時，主廠房和出水閥室關鍵點位移情況如表 1。
通過表 1 可以看出方案 2、方案 3 兩種開挖順序關鍵點的位移值相差不大，都小于開挖方案 1，且各關鍵點的位移值變化規律基本一致。圍巖總體朝向開挖臨空面變形。邊墻部位變形較大，以水平變形為主，拱頂下沉，底板回彈。通過分析三種開挖方案完成后的塑性區以及關鍵點位移可以看出，方案 2 和方案 3 均優于方案 1。
計算方案 2 和方案 3 每一步開挖后關鍵點位移可以得到：兩種不同開挖方案下在第 4 步達到最大的豎向位移，分別為 1.938mm、1.903mm。隨著開挖的繼續，主泵室洞室的頂拱均一定的回彈，在兩種開挖方案完成后分別回彈至 1.694mm、1.627mm。由于主泵室邊墻中部位置有破碎帶穿過，主泵室邊墻的位移在開挖過程中逐漸增大，位移最大點出現在主泵室上游邊墻中部 ZB03 附近，方案 2 其值達到 8.237mm，略小于方案 3 的 8.727mm。
出水閥室拱頂在兩種方案下的最大位移均出現在各方案開挖的最后一步，方案 2 和方案 3 開挖導致的拱頂豎直位移差別不明顯，分別為 4.43mm 和 4.45mm，回彈過程不明顯。在三種開挖方案中，出水閥室的最大位移出現在下游邊墻中部，約為 5mm 以上。在方案三中，出水閥室開挖順序靠后，在主泵室開挖完成后再進行開挖，但由于兩個洞室的距離較近，出水閥室的開挖將繼續擾動主泵室下部的圍巖，從而使主泵室下部邊墻關鍵點水平位移較大。
通過分析各分期開挖方案主泵室周邊關鍵點應力變化可以看出，開挖后，洞周徑向應力釋放，切向應力增加。當開挖臨近關鍵點時，由于受到開挖擾動的影響，關鍵點附近應力會出現劇增，隨著開挖的繼續推進，下部開挖對上部區域應力的擾動逐漸減弱。各關鍵點的最大主應力基本為壓應力，在主泵室拱頂與上游拱腳處出現較大的壓應力集中，其中，最大壓應力出現在主泵室拱頂關鍵點 ZB01 附近。另外，由于破碎帶的影響，主泵房下游邊墻中部也出現了較大的應力集中。三種方案開挖完成后主廠房拱頂最大主應力分別為 21.959MPa，21.658MPa，22.308MPa。開挖方案 2 拱頂的應力集中情況比其他兩種方案略好。因此綜合來看，開挖方案 2 要優于開挖方案 3。
相關論文推薦：工程地質勘查與基礎處理施工
摘要:在整個建設工程中，巖土工程勘察為首要工作，關系到基礎處理施工效果。基于這種認識，本文對巖土工程勘察技術展開了分析，然后對基礎處理施工方法進行了探討。
5 結論
本文建立了相應機組的三維模型，對擬定的 3 個施工開挖順序方案從重分布應力場、位移場、塑性區等 3 個主要方面進行對比分析，三種不同開挖順序下對洞室周圍巖體的擾動來看，方案 1 對周邊巖體擾動較大，開挖完成后總塑性區為 5116.28m3 ，遠大于其他兩種開挖方案。方案 3 由于對巖體進行了多次擾動，因此關鍵點位移以及洞室拱頂應力集中情況比方案 2 大。因此綜合考慮塑性區、位移值和應力值的大小，認為開挖方案 2 比較合理。開挖方案 2 先開挖主泵室，開挖到第 4 步之后再進行出水閥室上層的開挖，對周圍巖體擾動較小。
本文針對大型洞室群開挖方案的優選研究，可為類似工程地質條件下地下廠房洞室群實現快速、經濟、安全的開挖施工提供參考。