某水电站地下厂房洞室开挖方案优化

摘要：根据某地下厂房结构特点及地下厂房洞室群的优化在岩体结构模型概化设计，提出了地下厂房的2种开挖方案，并对这两种开挖方案进行对比及优化分析，得出两种开挖方案下洞室围岩变形和应力情况。对各种布置方案、支护措施、施工开挖程序采用三维弹塑性损伤有限元对厂房地下洞室群围岩稳定进行了分析论证。根据数值分析的論证结果，结合工程实际情况，提出了符合工程要求的实施方案，使理论分析与工程实际得到了有机的结合。

关键词：有限元法；地下洞室；围岩稳定；某水电站

某水电站地下厂房、主变洞及尾闸井三大洞室采用平行布置方式，地下厂房埋深大约205m，纵轴线方向NW38°，开挖尺寸221×26×74m，最大开挖跨度约29m，围岩为新县至微风化的石英二长岩（花岗岩），强度高，岩体为完整至较完整块状结构，结合紧密，其中威严类别主要以Ⅱ、Ⅲ、IV类，局部处于断层破碎带的岩石为V类。主变室及尾闸井位于厚层变质砂岩中，主变室开挖尺寸179×20×24.5m。

1 开挖方案

1.1 开挖方案一

方案一 地下洞室开挖顺序示意图

根据开挖方案一，开挖完成后分析结果如下：

开挖完成后主厂房上游边墙变形最大，拱顶变形相对较小，最大变形量为27mm；主变室拱顶变形最大，边墙变形相对较小，最大变形量为26.2mm；尾闸室下游边墙变形最大，拱顶变形相对较小，最大变形量为26.8mm。

根据开挖方案二，开挖完成后分析结果如下：

开挖完成后主厂房整体受压，最大压应力出现在上游拱边，最大压应力为17.0MPa。主变室边墙受压，最大压应力出现在下游拱边，拱顶局部出现小于0.2MPa的拉应力；尾闸室拱顶受压，边墙局部出现小于0.7的拉应力。

2 开挖方案对比及优化分析

对两种方案的对比分析如下：

（1）两种开挖方案开挖程序对比：方案一厂区分9步开挖，将主厂房C11、C12、C13同时开挖，变电室Z11、Z12同时开挖，且厂区每个台阶开挖主要以一步开挖为主，渭水洞为全断面开挖；方案二厂区分15步开挖，主厂房C11、C12分布开挖，变电室Z11、Z12也分布开挖，在开挖影响较大区域台阶是分步开挖。

（2）两种开挖方案下厂区围岩关键位置变形对比分析：方案一开挖完成后变形最大位置在主厂房上游边墙，其值为270mm；主厂房拱顶变形值为19.7mm，下游边墙变形值为137mm，底板变形值为18.7mm；变电室拱顶变形值为262mm，上游边墙变形值为21.9mm，下游变形值为26.8mm，底板变形值为3.4mm；方案二开挖完成后变形最大位置在主厂房上游边墙，其值为32.6mm；主厂房拱顶变形值为4.6mm，下游边墙变形值为30.6mm，底板变形值为1.3mm；变电室拱顶变形值为0.5mm，上游边墙变形值为1.6mm，下游变形值为182mm，底板变形值为7.7mm。通过对以上两个方案的对比可知两种开挖方案下地下洞室洞周围岩关键位置的变形量差别不大，两种方案最大变形都发现在主厂房上游边墙处，方案一最小变形发生在尾闸室底板处，方案二最小变形发生在变电室拱顶处，两种方案的变形量均在允许范围内，故两种开挖方案均可行，建议综合考虑其他方面决定采用开挖方案。

3 总结

两种开挖方案下厂区围岩应力对比分析：方案一开挖完成后厂区围岩主要以压应力为主，局部存在拉应力；最大压应力位置为上游拱边，其值为17.0MPa，最大拉应力位置为尾闸室上游边墙，其值为0.51MPa；厂区围岩其余关键位置应力分布较为均匀；方案二开挖完成后厂区围岩主要以压应力为主，局部存在拉应力；最大压应力位置为上游拱边，其值为18.1MPa，最大拉应力位置为尾闸室上游边墙，其值为0.72MPa。

参考文献：

[1]孫钧.地下工程设计理论与实践[M].上海：科学技术出版社，1995.

[2]杜丽惠，张小妹.水布娅地下厂房开挖施工过程的数值仿真分析[J].水力发电，2004，（2）：2932.

[3]肖明.地下洞室施工开挖三维动态过程数值模拟分析[J].岩土工程学报，2000，（4）：3337.

[4]李术才，朱维申，陈卫忠.小浪底地下洞室群施工顺序优化分析.煤炭学报，1996，（4）：5964.

[5]刘迎曦，吴立军，韩国城.边坡地层参数的优化反演[J].岩土工程学报，2001，23（3）：315318.

作者简介：章朝峰（1988），男，硕士，江西抚州人，江西水利职业学院。