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      軟巖中豎井開挖的支護(hù)體系研究

      2018-09-10 13:41:41孔科易文明湯雷付崢
      人民黃河 2018年2期
      關(guān)鍵詞:軟巖

      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。

      參考文獻(xiàn):

      [1]陸士良,湯雷,楊新安.錨桿錨固力與錨固技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1998:1-17.

      [2]張社榮,顧言,張宗亮.超大型地下洞室圍巖錨桿支護(hù)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2007,26(5)47-52.

      [3]畢遠(yuǎn)志,朱贊成.利用松動圈原理確定錨桿支護(hù)參數(shù)的方法[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,5(2):241-245.

      [4]于學(xué)馥,鄭穎人,劉懷恒,等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983:2-28.

      [5]董方庭.巷道圍巖松動圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001:35-40.

      [6]楊林德.巖土工程問題的反演理論與工程實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,1999:101-104.

      [7]張金耀,岐紅升,王玉海.松動圈測試在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山西煤炭,2003,23(2):37-38.

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