地下厂房洞周岩体等效衬砌厚度的优化分析

刘娟

摘 要：水电站地下厂房洞室群空间布置复杂，洞室相互交错，同时所处地质环境存在断层、裂隙等岩体结构面，都决定了三维有限元仿真模拟的难度。在不影响洞室群整体稳定的前提下，为使离散模型更逼近实际，本文将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替，即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中，模拟方法的可行性得以验证，计算成果合理，有较好的精度，为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。同时研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响，最后得出较优的等效衬砌厚度。

关键字：地下厂房；岩体；等效衬砌；主应力；径向位移

中图分类号：TV554 文献标志码：A 文章编号：

电站地下厂房洞室群空间布置复杂，洞室相互交错，同时所处地质环境存在层状岩体以及断层、裂隙等岩体结构面，都决定了三维有限元仿真模拟的难度。由于喷混凝土衬砌厚度很薄，只有15～30cm厚，与大型的地下洞室群整体尺寸相比，微乎其微。故在不影响洞室群整体稳定的前提下，为使离散模型更逼近实际，常常将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替，即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中。根据变形一致原理，该层单元的等效变形模量E和粘聚力C按以下公式计算：

其中：Er、Cr 、Ec、Cc分别为岩体和混凝土的变模、粘聚力，hr、hc分别为岩体和混凝土的厚度，E、C为岩体的等效变模、等效粘聚力。

该种对衬砌的模拟方法已成功应用于多个工程，如蟠龙抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定分析；瀑布沟、索风营水电站大型地下洞室群围岩稳定及加固效果分析等，计算成果合理，有较好的精度，为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。在midas/GTS里对该等效衬砌法的实现：将洞周等效岩体改变参数，在支护阶段直接激活相应的边界条件即可。为了研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响，建模时分别考虑了厚度为0.9m、1.5m、2.1m的等效衬砌，对结果对比分析，选取更接近实际混凝土衬砌的等效方案。

1.工程算例

（1）基本概况

某地下厂房开挖尺寸为204.70×26.70×68.50m，采用C20喷混凝土衬砌，厚15cm，锚杆：Φ28mm@1.5×1.5m，L=6/8m；挂钢筋网：φ8mm@20×20cm。

基于对称性，取厂房跨度的一半13.35m，厚度取半个机组段长14.5m，建立三维模型如下图：

（2）计算规模

模型采用四节点四面体单元，共11932节点，53647个单元，其中锚杆单元数是1000。

2.计算结果分析

依照初步拟定的施工开挖顺序，由上至下共分八步开挖，计算中按边开挖、边支护的模式，即开挖当层与支护上一层同时进行。

对比几种工况的计算结果，无论从围岩应力、位移、塑性区等来比较，结果都很接近，其中2.1m的等效衬砌比0.9m的等效衬砌跟实衬砌法计算结果偏离稍大，但浮动范围有限，现取洞周四个具有代表性的特征点的计算结果（开挖完工后）参见表1、表2。

分析表1与表2不难发现，用岩体等效衬砌代替喷混凝土衬砌，对洞周的位移影响极小。0.9m厚的等效衬砌计算结果与实衬砌计算结果基本相同，2.1m等效衬砌计算结果较0.9m的产生的洞周位移要稍微小些，但总的变化幅度仅0.9%左右；围岩应力稍有异样，但变化变化幅度仅0.1%～5%；对于塑性区分布规律，四种方案的计算结果，开挖完工后的塑性破坏区都共同出现在洞室周边拐角处。

采用洞室周边岩体等效衬砌来代替喷混凝土衬砌作用，对洞室围岩稳定性分析起到基本相同的效应，这种模拟方法将大大减少前处理的建模工作量。

3.结语

（1）借用实例进行建模，建模时同时考虑了洞周几种厚度的等效岩体衬砌，分别计算并对结果进行对比分析。就施工期洞室群的围岩稳定性而言，等效衬砌法和实衬砌法，起到基本相同的支护效应，阐明了该方法的合理性与可行性。故在水电站地下厂房施工开挖的三维非线性模型中，其衬砌支护模拟采用等效衬砌法，可以大大减少前处理工作量。

（2）本文只是做了初步探索，建模时只考虑了三种指定厚度的岩体等效衬砌，对比结果分析出更接近实际的等效厚度。若能采用非线性优化方法迭代得出最优的等效衬砌厚度，将是以后的研究重点。

参考文献

[1] 李效泉、闫红梅、张群波等.水工隧洞衬砌结构作用的探讨[J].工程力学，2000（增）524-527.

[2] 张良、蒋文胜.金康水电站高压引水隧洞衬砌设计和优化探讨[J]四川水利发电，2007.26（6）

[3] 聂卫平、石崇.基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化研究.地下空间与工程学报，2013.8（4）

摘 要：水电站地下厂房洞室群空间布置复杂，洞室相互交错，同时所处地质环境存在断层、裂隙等岩体结构面，都决定了三维有限元仿真模拟的难度。在不影响洞室群整体稳定的前提下，为使离散模型更逼近实际，本文将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替，即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中，模拟方法的可行性得以验证，计算成果合理，有较好的精度，为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。同时研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响，最后得出较优的等效衬砌厚度。

关键字：地下厂房；岩体；等效衬砌；主应力；径向位移

中图分类号：TV554 文献标志码：A 文章编号：

电站地下厂房洞室群空间布置复杂，洞室相互交错，同时所处地质环境存在层状岩体以及断层、裂隙等岩体结构面，都决定了三维有限元仿真模拟的难度。由于喷混凝土衬砌厚度很薄，只有15～30cm厚，与大型的地下洞室群整体尺寸相比，微乎其微。故在不影响洞室群整体稳定的前提下，为使离散模型更逼近实际，常常将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替，即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中。根据变形一致原理，该层单元的等效变形模量E和粘聚力C按以下公式计算：

其中：Er、Cr 、Ec、Cc分别为岩体和混凝土的变模、粘聚力，hr、hc分别为岩体和混凝土的厚度，E、C为岩体的等效变模、等效粘聚力。

该种对衬砌的模拟方法已成功应用于多个工程，如蟠龙抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定分析；瀑布沟、索风营水电站大型地下洞室群围岩稳定及加固效果分析等，计算成果合理，有较好的精度，为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。在midas/GTS里对该等效衬砌法的实现：将洞周等效岩体改变参数，在支护阶段直接激活相应的边界条件即可。为了研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响，建模时分别考虑了厚度为0.9m、1.5m、2.1m的等效衬砌，对结果对比分析，选取更接近实际混凝土衬砌的等效方案。

1.工程算例

（1）基本概况

某地下厂房开挖尺寸为204.70×26.70×68.50m，采用C20喷混凝土衬砌，厚15cm，锚杆：Φ28mm@1.5×1.5m，L=6/8m；挂钢筋网：φ8mm@20×20cm。

基于对称性，取厂房跨度的一半13.35m，厚度取半个机组段长14.5m，建立三维模型如下图：

（2）计算规模

模型采用四节点四面体单元，共11932节点，53647个单元，其中锚杆单元数是1000。

2.计算结果分析

依照初步拟定的施工开挖顺序，由上至下共分八步开挖，计算中按边开挖、边支护的模式，即开挖当层与支护上一层同时进行。

对比几种工况的计算结果，无论从围岩应力、位移、塑性区等来比较，结果都很接近，其中2.1m的等效衬砌比0.9m的等效衬砌跟实衬砌法计算结果偏离稍大，但浮动范围有限，现取洞周四个具有代表性的特征点的计算结果（开挖完工后）参见表1、表2。

分析表1与表2不难发现，用岩体等效衬砌代替喷混凝土衬砌，对洞周的位移影响极小。0.9m厚的等效衬砌计算结果与实衬砌计算结果基本相同，2.1m等效衬砌计算结果较0.9m的产生的洞周位移要稍微小些，但总的变化幅度仅0.9%左右；围岩应力稍有异样，但变化变化幅度仅0.1%～5%；对于塑性区分布规律，四种方案的计算结果，开挖完工后的塑性破坏区都共同出现在洞室周边拐角处。

采用洞室周边岩体等效衬砌来代替喷混凝土衬砌作用，对洞室围岩稳定性分析起到基本相同的效应，这种模拟方法将大大减少前处理的建模工作量。

3.结语

（1）借用实例进行建模，建模时同时考虑了洞周几种厚度的等效岩体衬砌，分别计算并对结果进行对比分析。就施工期洞室群的围岩稳定性而言，等效衬砌法和实衬砌法，起到基本相同的支护效应，阐明了该方法的合理性与可行性。故在水电站地下厂房施工开挖的三维非线性模型中，其衬砌支护模拟采用等效衬砌法，可以大大减少前处理工作量。

（2）本文只是做了初步探索，建模时只考虑了三种指定厚度的岩体等效衬砌，对比结果分析出更接近实际的等效厚度。若能采用非线性优化方法迭代得出最优的等效衬砌厚度，将是以后的研究重点。

参考文献

[1] 李效泉、闫红梅、张群波等.水工隧洞衬砌结构作用的探讨[J].工程力学，2000（增）524-527.

[2] 张良、蒋文胜.金康水电站高压引水隧洞衬砌设计和优化探讨[J]四川水利发电，2007.26（6）

[3] 聂卫平、石崇.基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化研究.地下空间与工程学报，2013.8（4）

摘 要：水电站地下厂房洞室群空间布置复杂，洞室相互交错，同时所处地质环境存在断层、裂隙等岩体结构面，都决定了三维有限元仿真模拟的难度。在不影响洞室群整体稳定的前提下，为使离散模型更逼近实际，本文将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替，即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中，模拟方法的可行性得以验证，计算成果合理，有较好的精度，为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。同时研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响，最后得出较优的等效衬砌厚度。

关键字：地下厂房；岩体；等效衬砌；主应力；径向位移

中图分类号：TV554 文献标志码：A 文章编号：

电站地下厂房洞室群空间布置复杂，洞室相互交错，同时所处地质环境存在层状岩体以及断层、裂隙等岩体结构面，都决定了三维有限元仿真模拟的难度。由于喷混凝土衬砌厚度很薄，只有15～30cm厚，与大型的地下洞室群整体尺寸相比，微乎其微。故在不影响洞室群整体稳定的前提下，为使离散模型更逼近实际，常常将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替，即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中。根据变形一致原理，该层单元的等效变形模量E和粘聚力C按以下公式计算：

其中：Er、Cr 、Ec、Cc分别为岩体和混凝土的变模、粘聚力，hr、hc分别为岩体和混凝土的厚度，E、C为岩体的等效变模、等效粘聚力。

该种对衬砌的模拟方法已成功应用于多个工程，如蟠龙抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定分析；瀑布沟、索风营水电站大型地下洞室群围岩稳定及加固效果分析等，计算成果合理，有较好的精度，为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。在midas/GTS里对该等效衬砌法的实现：将洞周等效岩体改变参数，在支护阶段直接激活相应的边界条件即可。为了研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响，建模时分别考虑了厚度为0.9m、1.5m、2.1m的等效衬砌，对结果对比分析，选取更接近实际混凝土衬砌的等效方案。

1.工程算例

（1）基本概况

某地下厂房开挖尺寸为204.70×26.70×68.50m，采用C20喷混凝土衬砌，厚15cm，锚杆：Φ28mm@1.5×1.5m，L=6/8m；挂钢筋网：φ8mm@20×20cm。

基于对称性，取厂房跨度的一半13.35m，厚度取半个机组段长14.5m，建立三维模型如下图：

（2）计算规模

模型采用四节点四面体单元，共11932节点，53647个单元，其中锚杆单元数是1000。

2.计算结果分析

依照初步拟定的施工开挖顺序，由上至下共分八步开挖，计算中按边开挖、边支护的模式，即开挖当层与支护上一层同时进行。

对比几种工况的计算结果，无论从围岩应力、位移、塑性区等来比较，结果都很接近，其中2.1m的等效衬砌比0.9m的等效衬砌跟实衬砌法计算结果偏离稍大，但浮动范围有限，现取洞周四个具有代表性的特征点的计算结果（开挖完工后）参见表1、表2。

分析表1与表2不难发现，用岩体等效衬砌代替喷混凝土衬砌，对洞周的位移影响极小。0.9m厚的等效衬砌计算结果与实衬砌计算结果基本相同，2.1m等效衬砌计算结果较0.9m的产生的洞周位移要稍微小些，但总的变化幅度仅0.9%左右；围岩应力稍有异样，但变化变化幅度仅0.1%～5%；对于塑性区分布规律，四种方案的计算结果，开挖完工后的塑性破坏区都共同出现在洞室周边拐角处。

采用洞室周边岩体等效衬砌来代替喷混凝土衬砌作用，对洞室围岩稳定性分析起到基本相同的效应，这种模拟方法将大大减少前处理的建模工作量。

3.结语

（1）借用实例进行建模，建模时同时考虑了洞周几种厚度的等效岩体衬砌，分别计算并对结果进行对比分析。就施工期洞室群的围岩稳定性而言，等效衬砌法和实衬砌法，起到基本相同的支护效应，阐明了该方法的合理性与可行性。故在水电站地下厂房施工开挖的三维非线性模型中，其衬砌支护模拟采用等效衬砌法，可以大大减少前处理工作量。

（2）本文只是做了初步探索，建模时只考虑了三种指定厚度的岩体等效衬砌，对比结果分析出更接近实际的等效厚度。若能采用非线性优化方法迭代得出最优的等效衬砌厚度，将是以后的研究重点。

参考文献

[1] 李效泉、闫红梅、张群波等.水工隧洞衬砌结构作用的探讨[J].工程力学，2000（增）524-527.

[2] 张良、蒋文胜.金康水电站高压引水隧洞衬砌设计和优化探讨[J]四川水利发电，2007.26（6）

[3] 聂卫平、石崇.基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化研究.地下空间与工程学报，2013.8（4）