岩体参数影响大型地下洞室群围岩

   2006-04-28 中国路桥网 佚名 6160
在地下工程建设中,影响地下洞室围岩稳定的因素很多,如初应力场、岩体物理力学参数、地下水以及施工方法等都不同程度影响洞室围岩的变形和破坏[ 1~3 ] 。岩体物理力学参数则是影响地下工程围岩稳定的内在因素。岩体物理力学参数不同,围岩应力2应变关系和稳定性也就不同。由于天然岩体的复杂性,加之现有测试技术和量测设备的局限性,要准确地分析和确定地下工程岩体的各种物理力学参数还有一定的困难。而现在工程单位所提供的岩体物理力学参数都是在一定变化范围之内的变幅值。因此正确掌握岩体物理力学参数变化对地下工程围岩稳定的影响,其灵敏度如何,对设计和施工都有很大的帮助。
1  弹塑性理论分析
  一般讲,岩体具有高的抗压强度和极低的抗拉和抗剪强度,并且应力2应变关系呈现复杂的非线性特征。岩体的各物理力学参数在变形和破坏中起着一定的作用。如弹性模量E 大的岩体洞室开挖后围岩变形小。对于泊松比μ大,其对应的侧向压力系数λ大,而λ对塑性区的部位和大小都有一定的影响[4 ], λ< 1 时破坏区首先出现于洞室两侧,λ> 1 时破坏区则出现于顶部和底部。当粘结力C 和摩擦角φ变化时,围岩塑性区中每一点相应的莫尔包络线不同,则塑性区的发展以及围岩流变也不同。而这些影响因素在岩石本构方程以及屈服准则中得到反映。
1. 1  岩石材料屈服准则
  根据塑性变形和强化理论,岩石材料是否达到塑性状态取决于其加载历史、应力状态以及材料本身的塑性状态。因而屈服准则是应力矢量σ和强化参数K 的函数F(σ, K) = 0 (1) 在岩石弹塑性分析中,较通用的是库仑 2普拉格准则,其一般形式为 F= βI1 + J2 -K= 0 (2) 对于库仑2莫尔准则,参数β和K 为sinφ β = θ -sinθsinφ)   K= Ccosφ θ -sinθsinφ 对于德鲁克2普拉格准则为β = 3sinφ   K= 33 + sin2φ 3 + sin2φ 式中: I1 为应力张量第一不变量;J2 为应力偏张量第二不变量;θ为Lode 角; C 为围岩粘结力;φ 为围岩摩擦角。可以看出,屈服准则与C,φ值关系密切。
1. 2  弹塑性本构方程
  岩石材料进入塑性变形后的形变增量将包括弹性和塑性两部分,根据弹性应变增量满足虎克定律以及塑性增量满足流动法则,则全应变增量可表示为
dε = De-1dσ + 5 Gλ (3)5σ
式中:De为弹性矩阵; G 为塑性势函数,对于理想塑性模型时,可取塑性势函数与屈服面函数相同,即
G(σ, K) = F(σ, K) 。λ为待定的标量因子。经过变化后可得应力2应变关系为
dσ = Depdε (4) 式中弹塑性矩阵
(5)Dep = De-
其中A 为应变硬化参数,对于理想塑性讲A =0。
工程概况及有限元数值模拟方案选取
  云南某水电站为地下引水式发电站,总装机容量为4 200 MW , 其地下发电厂房枢纽是一超大型地下洞室群。其中主厂房高65. 5 m , 宽29. 5 m , 长325 m ; 主变室高32 m , 宽22 m ; 长257 m ; 原设计走廊式调压井高69. 17 m , 宽29. 5 m , 长251 m 。另外还有6 条引水压力管道、6 条母线洞、2 条尾水洞以及交通洞、运输洞、出线洞和通风洞与之交错,使地下洞室群庞大且错综复杂。
地下厂房区位于黑云母花岗片麻岩层中,岩石致密坚硬,强度较高。各地下工程建筑物的围岩为微风化至新鲜岩体。厂房顶部覆盖有380~480 m 厚的岩体。穿过厂区有3 条顺层挤压的Ⅲ 级断层F5 , F10 和F11 ,走向与3 大洞室轴线夹角为25°~45°之间,断层破碎带平均宽度为3~4. 5 m , 部分有连续分布的夹泥条带。根据地勘报告并通过有限元反演得出的初始应力场[5 ] 表明,地下厂房区地应力场为自重应力场和构造应力场叠加的结果,其中自重应力场的比重较大。
为了进一步了解岩体各物理力学参数对地下洞室围岩稳定的灵敏度,在文献[5 ] 的基础上,对计算区进行单元剖分。在有限元计算中采用德鲁克2普拉格准则,并认为岩石材料模型为理想弹塑性模型。模拟施工开挖为分台阶顺次开挖(即依次开挖主厂房、主变室及尾水调压洞) 。并分别对岩体弹性模量E、泊松比μ、粘结力C和摩擦角φ值变化的不同组合进行了计算。以设计单位提供的参数为基础,每一种参数分3 种情况进行计算,共有9 种计算工况。每种工况参数选择见表1。
表1 各计算方案参数值


计算结果分析
  通过上述9 种工况的计算分析,可得出各因素变化对围岩稳定的影响程度。地下洞室全部开挖后,各方案计算后的洞周最大位移值、应力值以及各自的变化率列于表2。
3. 1  洞周位移受围岩参数的影响
从表2 可以看出,影响洞周位移最为敏感的是弹性模量E, 当E由4.0 ×104 MPa 降至3.6 ×104 MPa (即降低10 %)时,位移由4.67 cm 增至4. 95 cm , 增加量为6 % 。而E增加10 %到4.4 ×104 MPa 时,则位移减至4. 23 cm , 减少量为9. 4 % , 可见减少的幅度要大于增加幅度。其次为摩擦角φ的影响,比较方案8 和9 ,当φ值由57°增加10 %为62.7°时,洞周最大位移减至4.51 cm , 减少量为3. 4 % 。而减少φ值至51. 3°时,位移增为4. 87 cm , 增加量为4. 3 % 。这是由于摩擦角减少后,洞周的塑性范围有所增大,从而塑性流变增大了洞周的位移。同理减少和增加粘结力C值时,洞周位移也有所变化,但较之摩擦角φ 的影响变化小,如方案6 和方案7 分别为C值减少和增加10 %, 而位移变化率分别为1.5 %和1.1 %。方案4 和方案5 分别为减少和增加泊松比μ的计算工况,可以看出,由于侧压力系数的增大,水平应力增大,从而洞室边墙的变位增加。侧压力系数减少时,方案4 中主变室的拱顶变位有所增大,其值由4. 16 cm 增至4. 24 cm 。由此说明对不同泊松比μ的地下工程,洞室稳定性也不同。对于侧压力系数较小的洞室拱顶的变形大,而侧压力系数大的洞室边墙稳定性则是值得重视的问题。
表2  各方案洞周最大位移、应力变化表
注: ① 最大位移出现部位除方案4 外,都发生在主厂房下游侧边墙; ② 最大应力是指竖向应力分量,部位为主厂房拱顶; ③ 方案4 出现部位为主变室拱顶,其基本工况位移值为4. 16 cm 。
3. 2  洞周应力值受围岩参数的影响
由于洞周各应力分量释放规律近乎相似,表2 中仅列出主厂房拱顶释放量较大的竖向应力值。从方案1 ,2 和3 中可以看出,弹性模量E减少和增大时,洞周应力释放量变化不大,在3 %左右变化。说明改变弹性模量对进入塑性区的围岩应力的影响不太敏感。同样改变泊松比μ值,对围岩应力的影响也不敏感。这是因为洞室开挖后,塑性区围岩最终承受的荷载基本上不变。而从方案6 ,7 ,8 和9 可看到, C,φ 值的变化对围岩应力释放敏感度较高,减少C,φ值时,洞室围岩的承载能力下降,其释放量减少,说明部分荷载向深部围岩转移。如方案8 中φ值降低10 %时,其荷载释放量为58.81 %。增大C,φ值时,洞室围岩的承载能力有所提高,因而其释放量增大。但其变幅值没有C,φ值减少时大。
3. 3  洞周塑性区受围岩参数的影响
从前面的理论分析以及计算中可知E 对洞周塑性区的影响不很敏感,增大或减少E 值塑性区基本没有发生变化,见图1 和图2 。泊松比μ的增大或减少以及C,φ 值的增大对塑性区变化都不明显,故其塑性区图略。从图3 ,图4 可以看出,减小C,φ值,塑性区有不同的发展。特别是φ值减小10 %后,主厂房上游侧以及主变室与圆桶式调压井(设计单位已将原先走廊式调压井改为两个圆桶式调压井,故后期计算以圆桶式调压井为准)之间扩展较大,因此在施工中应注意由于爆破开挖而造成C,φ 值降低时的加固措施。


图1  方案1 塑性区分布  图2  方案2 塑性区分布   图3  方案6 塑性区分布  图4  方案8 塑性区分布
5  结 论
通过对不同围岩力学参数组合的几种工况计算分析,可以得出以下几点结论:
1. (1) 影响洞室位变最为敏感的因素为岩体的弹性模量E, 这是因为岩体的弹性模量主要改变岩体刚度,而摩擦角φ影响围岩的塑性流变。因此在对洞室围岩变形限制时,采用锚杆加固的同时可考虑提高φ值的工程措施。
(2) 岩体C,φ值对洞室稳定影响的灵敏度较大,特别是φ 值不仅对洞周变位,而且对围岩塑性区分布影响也非常大。因此对于C,φ值较低的工程,应主要以提高C,φ值进行工程加固。
(3) 泊松比μ虽然对洞室稳定影响程度不是很大,但却影响围岩应力场的分布。对于μ值大的应侧重于洞室边墙的加固,而μ值小的则应对洞室拱顶加固。

 
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