浅析顺层岩体对地下厂房岩锚梁稳定性影响

牟文杰 骆 安 刘 波

（1.中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710016；2.西安理工大学岩土工程研究所 陕西 西安 710048）

1 引言

地下厂房岩锚梁的设计与施工技术已非常成熟，在我国地下厂房设计中已广泛应用[1]，其原理主要利用开挖预留岩台上布设的受拉及受压锚杆，将混凝土梁锚固在岩台上。岩锚梁承受自重及桥机等工作状态下的受力，并传递至两侧岩体当中。因此，在预留岩台开挖施工时要求格外严格，地下厂房的设计也尽量避开断层、夹层、节理发育等不良地质带。并且在开挖爆破方面预留足够的保护层，采用预裂及光面爆破技术等，减少对岩台处围岩的爆破震动，同时利用先进钻孔设备及定位导向工艺等提高钻孔精度来保证爆破效果[2-4]。岩锚梁在开挖过程中以及后期运行中经常发现质量问题[5-6]，工程人员针对岩锚梁进行了大量的研究分析，提出不同地质条件下各种破坏模式[7-8]，采用三维有限元分析，提出关键块体理论等研究方法[9-10]。

地下厂房埋深大，地质条件复杂，单纯的地质探洞不能详细查明地层岩性分布及岩石条件。在工程施工中经常遇到各种各样的地质条件。本文采用有限元应力分析结合极限平衡计算方法，针对地下厂房顺层向岩体对岩锚梁岩台稳定的影响进行分析和研究，提出合理的支护和加固措施，为工程设计及施工提供一定的参考和借鉴。

2 顺层向岩体对岩锚梁稳定性的影响分析

侵入地下厂房范围内的顺层向岩体与边坡中的顺层向岩体有所不同。边坡中的顺层向岩体在自然状态没有被扰动的情况下，其层间存在充填物粘聚力很小时，仅有自重作用在岩层的法向存在应力分量，通过岩层与填充物之间的摩擦产生抗滑力，此时边坡稳定基本取决于岩层的倾角和层间摩擦系数。而在地下厂房洞室中，岩层的稳定与否，除以上因素外，洞室的洞型设计和岩层的分布位置，对稳定结果影响也很大。如视倾角接近于90°的岩层，分布在圆形洞室的顶拱区时，洞室开挖后，围岩应力发生调整（即二次应力场），岩层间存在很大的法向应力，相互挤压，即使存在多组结构面相交形成块体，也无法滑出，岩层稳定性较好。但若这一组岩层，分布在拱肩部位，或者顶拱为直墙结构，此时只要在洞室附近随便存在另外一组结构面，与这组顺层向岩体相交，即可形成不稳定块体。

3 模拟及评价方法

3.1 岩体块体有限元模拟

三维岩体采用四面体10结点实体单元，见图1。这种单元对于严格受地形控制的体形在单元的剖分上有很好的适应性，这样不至于使得单元剖分质量不好影响到分析计算的精度，同时，该单元还是二次单元，计算分析结果的精度能够得到保证。

图1 岩体单元几何模型示意图

3.2 断层、节理有限元模型

对于控制洞室稳定的主要接触面、断层的模拟，采用FINAL有限元分析程序独有的单元—COJO单元，单元的模型如图2和图3示。这种单元考虑接触面的固定、滑动、张开三种接触条件，收敛迅速，能很好模拟具有初始裂缝和无初始裂缝两物体间的摩擦滑动、张开和闭合。

图2 三维接触面单元模型图

图3 COJO接触面单元几何模型

3.3 极限平衡分析

其主要原理是将滑体划分为若干条块，条块看作是刚性的，滑面认为达到极限平衡状态且抗剪强度的发挥状态一致。各种方法都是通过力平衡或力矩平衡或二者都平衡来建立边坡安全系数表达式，具体表达式为：

3.4 评价方法

根据建立的有限元仿真分析模型，模拟得出洞室顺层向岩体及开挖面附近的应力分布情况。在岩体沿顺岩层方向不存在抗拉强度的假设条件下，通过极限平衡方法对岩块进行分析，找出不稳定的岩块与稳定的岩块分界线（面），此时不稳定岩块分布区域的岩体就是不稳定块体。

对不稳定块体预设支护方案，采用极限平衡方法分析不稳定块体的抗滑力与下滑力之比，根据稳定情况调整支护类型，直至满足要求为止。

4 工程算例

4.1 工程概况

某地下厂房埋深200m左右，纵轴线方向NW40°，开挖尺寸221.45m×26.6m×74.1m，最大开挖跨度28.8m，围岩为微风化～新鲜的中生带二长岩，岩体为较完整～完整块状结构，结构面中等发育～不发育，结合紧密，围岩类别以Ⅱ、Ⅲ1类为主，局部裂隙密集及断层破碎带为Ⅳ类。

地下厂房上覆岩体厚200m左右，围岩为微风化～新鲜的中生带二长岩，结合PD18平硐、钻孔资料，推测地下厂房岩体中发育有不利于拱顶稳定的缓倾角断裂，陡倾角长大裂隙中等发育。岩体为块状结构，较完整～完整，结构面中等发育～不发育，结合紧密。厂房低于地下水位，为基岩裂隙水，岩体透水性微弱，故预计水量不会太大，仅局部沿结构面滴水或渗水。围岩类别以Ⅱ、Ⅲ1类为主，局部裂隙密集及断层破碎带为Ⅳ类。地下厂房钻孔岩芯中未发现饼状岩芯，平硐中没有剥落、岩崩等现象，初步分析认为岩体存在高地应力的可能性较小。

4.2 计算模型

三维整体模型有限元边界条件：模型底面和侧面均为固端约束，模型上部是地表，为自由表面。计算域边界满足洞周围岩厚度不少于5倍开挖跨度的要求，距地表距离不足5倍开挖跨度时算至地表，为重点研究主厂房上游边墙岩锚梁围岩稳定性，建立地下洞室模型见图4。结构面相关特性见表1。地下厂房岩层视倾角为82°，经过有限元仿真分析，得到围岩应力场如图5所示。

经过对岩块进行稳定性分析，得到最深层的不稳定块体如图6中4号块体所示，约为130m3。3号、2号、1号块体分别为较浅层或浅层的块体，分别为22m3、2.0m3、0.5m3。5号块体为从顶拱起拱线算起最大不利块体（顶拱区域岩体是相互挤压结构，稳定性良好），是一种类似边坡的极限状态。

图4 局部模型

图5 围岩应力场

图6 不稳定块体示意图

表1 结构面特性

4.3 不稳定块体及支护结构分析

采用预应力锚索水平布置，间排距为6m×4.5m，预应力为 150t。

4.3.1 对于1、2号块体

对于设计轮廓线表层体积较小的1、2号不稳定块体（分别为0.5m3、2.0m3）。采用6m～9m深的长锚杆进行加固，即可满足稳定性要求。当1、2号不稳定块体在支护前出现小掉块等情况时，应适当采取超前支护措施。

4.3.2 对于3号块体

（1）层间充填物为泥质时：

摩擦角和粘聚力均取最小值：摩擦系数为0.3，粘聚力为5KPa。

抗滑力：F抗滑力＝605×2×0.3+3×1500×0.8/4.5+22×27×0.8×0.3+18×5＝363+80+25+90=608KN

下滑力：F下滑力＝22×27×0.99＝588KN

安全系数：=1.03＞1（处于稳定状态）

（2）层间充填物为其它材料时：

无论是摩擦角还是粘聚力均大于泥质材料的摩擦角和粘聚力，即安全系数必然大于1.03。

4.3.3 对于4号块体

（1）层间无充填或为充填岩脉、钙膜等，胶结好时：

摩擦角和粘聚力均取最小值：摩擦系数为0.55，粘聚力为15kPa。

安全系数：=3405/3475=0.98＜1（处于失稳状态）

此时需加强支护，提升预应力锚索为200t级时：

安全系数：=4013/3475=1.158＞1（处于稳定状态）

（2）若层间充填物摩擦系数和粘聚力更小时，建议重新进行深入分析。

4.4 结果分析及建议

考虑到主厂房上游边墙陡倾顺层向岩体形成不稳定块体，对岩锚梁局部围岩稳定性进行分析。经过有限元仿真、极限平衡以及矢量和法，预测出厂房最不利情况下不稳定块体分布区域，并针对浅层、中层、深层不稳定块体进行分析，得到以下建议：

（1）浅层块体：属于体积较小的表层不稳定块体，采用系统锚杆支护即可达到稳定状态。表层破坏情况较重时，适当采取超前支护。

（2）中层块体：层间充填物为泥质时，安全系数为1.03。若层间为其它材料充填物时，安全系数大于1.03。

（3）深层块体：层间充填物为无充填或为充填岩脉、钙膜等，胶结好时，在设计支护方案下，安全系数为0.98。若将预应力锚索更换为200t，其它不变时，安全系数为1.15。但若层间充填物摩擦系数和粘聚力更小时，建议重新进行深入分析。

5 结语

地下厂房实际施工过程中，地质条件复杂多样，岩体结构复杂，影响因素众多，参数选取的不同可能导致计算结果的差异。本文结合工程实例，采用有限元应力分析及极限平衡相结合的方法，对地下厂房顺层向岩体对岩锚梁岩台的稳定性进行了粗浅的分析和研究，针对不稳定块体情况，提出了支护结构和方式的建议，为工程设计及施工提供一定的参考和借鉴。陕西水利

[1]郭彬，马青春，吴晓龙，漆爱捺.三峡电源电站地下厂房岩锚梁开挖施工技术[J].水利水电技术，2004，35（11）：42-45.

[2]方元山.地下厂房岩锚梁施工关键技术[J].土工基础，2013，27（4）：58-61.

[3]漆智慧，钟镇.长河坝水电站地下厂房岩锚梁精细化施工技术[J].云南水力发电，2013，29（3）：86-89，114.

[4]陆晓敏，刘春霞.地下厂房岩壁吊车梁的力学分析及设计[J].河海大学学报，2007，35（1）：30-34.

[5]唐军峰，徐国元，唐雪梅.地下厂房岩锚梁纵向裂缝成因分析及发展趋势[J].岩土力学与工程学报，2009，28（5）：1000-1009.

[6]王俤剀，彭琦，汤荣，邓建辉，曲宏略.地下厂房岩锚梁成因分析 [J].岩土力学与工程学报，2007，26（10）：2125-2129.

[7]董家兴，徐光黎，申艳军，朱可俊.施工期岩锚梁岩台破坏模式及稳定性分析[J].地质科技情报，2011，30（6）：133-137.

[8]董家兴，徐光黎，申艳军，朱可俊.基于块体理论的岩壁吊车梁岩台稳定性分析[J].地下空间与工程学报，2011，7（3）：444-448.

[9]段永伟，胡修文，吁燃，卢阳.顺层岩质边坡稳定性极限平衡分析方法比较研究[J].长江科学院院报，2013，30（12）：65-68，73.

[10]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京.中国水利水电出版社2009.