高放废物地质处置地下实验室复杂节点施工效应数值分析

吴 兆， 李二兵， 王传乐， 段建立， 濮仕坤

(1.中国人民解放军陆军工程大学国防工程学院， 江苏南京 210007；2. 中设设计集团股份有限公司， 江苏南京 210014)

深地质处置是目前国际上公认的最安全的高放废物处置形式，地下实验室是开发深地质处置库必不可少的科学研究设施。根据国家高放废物地质处置工程“三步走”的战略目标，我国计划于2020年前后建成高放废物地质处置地下实验室，并已被列为《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出的100个重大工程之一。地下实验室为岩石深地下工程，国外已建地下实验室空间架构主要有斜坡道+竖井+平巷和多竖井+多层平巷两种形式[1-3]，我国计划在甘肃北山预选区建设的地下实验室为三竖井+斜坡道+两层平巷的结构形式[4]。由于地下实验室具有空间架构复杂、结构体量较大、安全要求较高等特点，特别是复杂节点在开挖过程中将产生较大变形和复杂应力状态，非常有必要预先对其进行施工效应数值模拟，获取应力分布和变形状态，为地下实验室施工安全监测和控制提供依据。

数值模拟分析在隧道及地下工程开挖变形和稳定性分析中应用十分广泛。P.Kumar运用有限元计算程序，对围岩稳定性问题进行了计算分析[5]。K.J.Shou采用模拟地下洞室的虚拟力法和求解不连续面的位移不连续法相结合的混合模型，提出了三维混合边界元法[6]。CharlesFairhurst等对运用离散元法和有限元法分析节理岩层中洞室围岩稳定性进行了比较[7]。刘庭金、朱合华、唐春安[8]运用RFPA对开挖的地下工程洞室孔壁附近围岩的损伤演化和应力场调整全过程进行分析，得到了围岩损伤演化和应力场调整过程图。胡夏嵩、赵法锁以西北某水利工程地下洞室为例，对低地应力状态下洞室开挖后围岩位移变化及其相应特征，采用二维离散元法进行了数值模拟研究[9]。邬爱清等[10]应用非连续变形分析方法对复杂地质的地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究。曾静等[11]采用三维快速拉格朗日法模拟施工开挖过程，研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态。肖明[12]依据弹塑性耗能原理对地下大型洞室群开挖进行了三维有限元模拟，预测了洞室变形状况。李术才等[13]以节理损伤模型对大型地下洞室施工进行了模拟研究，并对其施工方案进行了优化。

鉴于数值模拟分析已成为隧道及地下工程施工效应研究的有效方法，因此本文在北山深部花岗岩基本物理力学参数分析基础上[14]，采用改进的摩尔—库伦强度准则，利用ANSYS有限元程序对地下实验室240m和560m埋深复杂节点部位进行施工力学效应数值模拟研究，获得复杂节点受力和变形特征，以期为后续地下实验室施工安全监测方案设计和预警控制提供依据。

1 数值模拟模型建立

1.1 工程概况

地下实验室结构采用“斜坡道+竖井+平巷”组合形式，由三条竖井，两层水平巷和一条螺旋斜坡道构成，最大埋置深度为560m，通过长期的钻孔取芯试验表明该区域岩体主要为花岗岩类岩石，有着强度高，完整性好，透水性弱等特点，外围边界主要由变质岩和沉积岩并存的多条横纵的断裂带构成，总体分析表明此区域岩体较完整极适合作为地质处置库场址[15]。初步空间架构模型如图1所示[4]。施工顺序为先竖井，后水平巷，再螺旋斜坡道。竖井采取钻爆法施工，螺旋型斜坡道为圆形断面，采用TBM法施工。水平巷上层由三条洞室构成，斜坡道与其相交，竖井穿其而过，如图2(a)所示；下层水平巷的公共区洞室交错复杂，竖井、水平巷道和水平通道空间相交叉形成复杂节点，如图2(b)所示[16]。

图1 地下实验室初步空间架构模型

(a) 240m埋深处复杂节点

(b)560m埋深处复杂节点图2 地下实验室复杂节点示意

1.2 边界条件

本文模型边界条件的确定主要参考核工业北京地质研究院通过水压致裂法所获得的北山新场地应力结果[17](图3)。

(a)最大主应力方向与深度关系

(b)主应力大小与深度关系图3 初始应力方向及大小

通过线性拟合得到最大与最小初始水平主应力变化表达式为：

σh1=0.022h+4.142

(1)

σh2=0.016h+2.574

(2)

式中：σh1，σh2分别最大水平主应力和最小水平主应力；h为埋置深度。

地下主体结构跨越深度范围大，为简化计算，将240m、560m埋深处复杂结构模拟计算时的边界条件取值见表1。

表1 模型边界应力大小与方向

1.3 模型参数

Mohr-Coulomb强度准则能较好的描述岩土体的强度特征，但存在尖角和导数不连续，致使有限元求解比较困难。经众多学者专家修正[18-20]，提出M-C修正型强度准则，即D-P强度准则，因此本文材料模型选为流动相关理想弹塑性D-P模型。材料模型变形参数采用三轴压缩试验所得参数与围压的拟合关系，并结合240m和560m深度处的最大水平构造应力确定，取值见表2。

表2 材料模型物理力学参数

1.4 模型建立

大量理论与试验研究表明，地下洞室开挖过程对岩体的扰动范围通常为洞室直径的3～5倍[21]。将240m复杂结构处的岩体设成100m×100m×60m立方体有限元模型，竖井高度设置为60m，上下贯通，上下分别为30m。参考前期相关科研单位的项目研究成果资料[16]，对各结构构件取合理尺寸，单元采用SOILD64号混凝土单元。模型交叉位置复杂，使用映射划分网格较难以实现，故采用自由网格划分，而在形状较为规则部位采用映射网格划分(图4)。240m埋深处复杂节点划分单元数为209 939，560m埋深处复杂节点划分单元数为983 724。

(a)240m埋深处复杂节点网格划分

(b)560m埋深处复杂节点网格划分图4 模型网格划分

1.5 计算工况

将240m埋深处复杂节点开挖荷载步设置为11步，将560m埋深处复杂节点荷载步设置为14步，荷载步与分析点断面所在结构位置如图5所示。

2 240m埋深模拟结果分析

2.1 竖井开挖模拟

240m埋深处复杂节点竖井纵穿水平洞室处岩体，形成了“十”字型交叉。提升井直径6m，进排风井直径3m，贯穿地层较深，在高地应力条件下，会使洞周岩体产生较大变形。将竖井开挖设置为三个荷载步，第一步为开挖提升井，第二步为开挖进风井，第三步为开挖排风井。

竖井一侧围岩的最大主应力呈环状自洞壁向岩体内部分布，并逐渐减小。因竖井直径不同，围岩应力影响范围和程度有所差异，提升井影响最大，但位移远远小于安全位移，说明了洞室20m的间距，使得开挖相互影响较小。最小主应力在洞壁X方向两侧出现了应力集中，大小为12.7MPa。

(a)240m埋深处复杂节点模拟荷载步与分析断面

(b)560m埋深处复杂节点模拟荷载步与分析断面图5 模拟荷载步与分析断面

为研究竖井较大位移区域洞壁岩体随着洞室开挖的变化规律，特选提升井上端为第1位移分析断面，选择提升井与水平洞室交叉处竖井一侧为第2位移分析断面。n表示断面号，n-1、n-3分别位于洞壁Z方向的前、后点，n-2、n-3分别位于洞壁X方向的右、左点，其中第1断面分析点位移随荷载步变化如图6所示。

图6 第1断面分析点位移随荷载步变化

竖井顶端因第1荷载步产生临空面而使洞周产生了较大的位移，Z方向要大于X方向，随荷载步增加位移增加较缓慢，最终洞壁最大位移为0.924mm。交叉处竖井侧岩体在第1荷载步产生较大位移，而第2、3荷载步开挖右侧两竖井时对该断面影响微小，当开挖水平洞室时再次使该断面产生了较大的位移，随着第5～11荷载步开挖，位移接近线性增长。由此说明在施工过程中该交叉区域岩体将发生较大的变形，且变形速率也较大，应作为重点监测区域。

2.2 水平洞室开挖模拟结果

水平洞室与竖井交叉处附近岩体内部，最大主应力呈环状分布分布，在拱底和拱底处产生集中，为9.7MPa。左侧和中间洞室应力影响区相互连通，产生想互影响，但值比较小。最小主应力同样呈层状分布，在中间与右侧洞室边墙处出现了应力集中，而左侧洞室在拱顶和拱底也出现了应力集中现象。水平洞室与斜坡道交叉处水平洞室一侧围岩的最大主应力呈整体分布状态，各洞室应力大小相近，在拱顶、顶底处相对较大些。因斜坡道影响使得最小主应力在边墙处最大，并成为240m埋设处复杂节点应力最为集中处。

竖井与水平洞室交叉处产生了较大的位移变形，为研究该交叉处围岩位移随荷载步增加的变形规律，取交叉处水平洞室一侧断面为3～5位移分析点断面，获得的位移变化，其中第4断面如图7所示。

图7 第4断面分析点位移随荷载步变化

第3断面位于左侧竖井与水平洞室交叉处。在第1步产生了较大的位移，第4步因开挖该水平洞室断面处的岩体，位移再次产生了较大增长。随荷载步增加，拱顶和拱底位移逐渐增大，而左边墙因离后续开挖位置较远而位移增长速率逐渐减小。最终洞壁最大位移达到0.646mm。

第4断面位于中间洞室与排风井交叉处。在第2步使该断面拱顶处产生较大位移。第4步时位移再次产生阶跃性增长。随荷载步增加位移值逐渐增长，拱顶增长速度较其他位置更加明显，最终拱顶位移达到1.019mm。

第5断面位于右侧洞室与竖井交叉处，在第3、4荷载步因开挖此处岩体使洞周围岩产生较大位移，且拱顶、底增长速率较两侧边墙快，较接近线性，而其他部位增长速率却逐渐减小。

2.3 斜坡道开挖模拟结果

斜坡道为最后施工结构，与水平洞室在端部相交。为此将斜坡道划分成五个荷载步。

开挖完成后，斜坡道周围岩体的最大主应力成环形分布，在交叉节点处拱顶、拱底应力集中明显增大，最大值为8.46MPa。最小主应力正好相反，边墙位置达到最大，且为拉应力，其值为23.6MPa。

取水平洞室与斜坡道交叉处围岩断面拱顶、右边墙、拱底和左边墙四个点分析位移随荷载步的变化规律，其中第11断面结果如图8所示。

图8 第11断面分析点位移随荷载步变化

第6断面在第5、6荷载步时位移会产生较大的增长，随后变化趋于稳定，最大位移达到1.151mm。第7与第8断面随着荷载步增加，位移变化规律相似，第1至第3荷载步竖井开挖时，因离此位置较远位移增长速度较小，只产生小许的变形，当斜坡道开挖至该处岩体时，水平洞室和斜坡道都有较大的增长，最终该断面拱顶成为240m复杂结构位移最大处，为1.251mm。第9～11断面在开挖斜坡道时，位移增长最大，在其他荷载步，位移随着开挖面推进呈现线性增长，而后增长速率逐渐减小最终趋于稳定。

3 560m埋深模拟结果分析

3.1 竖井开挖模拟结果

按照上述介绍的荷载步设置，对 560m埋深处复杂节点竖井进行数值模拟。在工程开挖完成后，因水平洞室的影响，交叉处竖井围岩的最大主应力分布状态未能像240m处一样呈环形分布，而是沿着水平洞室延伸，应力最大处位于各交叉节点，为13.5MPa。最小主应力的分布呈现区域性，因水平洞室上部为径向应力最大，使得竖井与水平洞室交叉处上部岩体在一定深度范围内最小主应力较小，为11.6MPa。

因提升井与水平洞室交叉处，位移变化较大，特取交叉处竖井一侧水平断面四个分析点研究其随着荷载步增加位移变化规律(图9)。

图9 560m埋深处竖井断面分析点位移变化

第1断面位于提升井顶端，1-1、1-3测点沿z方向，1-2、1-4测点沿x方向。第1荷载步因开挖此区域岩体使得四个测点均产生了较大的位移。在开挖左侧竖井的第2、3荷载并未使其位移增加，说明开挖右侧竖井时对其影响极小。在水平洞室开挖时位移增加较剧烈，最终洞壁左侧位移达到2.283mm。

3.2 水平洞室开挖模拟结果

560m埋深处水平洞室开挖过程中，水平洞室与竖井交叉处岩体的最大主应力较集中，且拱顶、拱底较边墙处大，值为15.9MPa，而最小主应力呈环向分布，在交叉处边墙上最小。各水平洞室之间岩体最小主应力均较大。

560m埋深处复杂节点连接通道与水平洞室交叉处最大主应力在拱顶和拱底岩体出现集中，而边墙处最小。交叉处边墙是最小主应力集中处，并呈环向分布。

选取水平洞室位移交叉处的断面测点进行位移随荷载步增加的变化关系研究。第2～4断面位于竖井与水平洞室交叉处水平洞室一侧，n-1、n-2、n-3、n-4分别位于拱顶、右边墙、拱底和左边墙，n代表截面编号，其中第2断面随荷载步增加位移变化规律如图10所示。

图10 第2断面分析点位移随荷载步变化

竖井开挖未能使上述断面分析点产生较大的位移，当第4荷载步开挖此区域岩体时拱顶和拱底分析点产生了较大位移，较边墙处分析点的位移大。随着水平洞室和斜坡道的开挖拱顶位移增加明显，而边墙和拱底位移增幅较小，同时拱底位移开始减小。说明在水平洞室与竖井交叉处拱顶是产生位移最大的地方，在施工过程中应加强监测。

第5～8断面位于水平洞室与长连接通道交叉处长通道一侧，n-1、n-2、n-3、n-4分别位于拱顶、右边墙、拱底和左边墙，n代表截面编号，其中第6断面随荷载步增加位移变化规律如图11所示。

图11 第6断面分析点位移随荷载步变化

第5～8断面均为水平洞室与连接通道交叉处断面，在1～5荷载步因未对该区域岩体开挖，只使其产生较小的位移。当开挖至此断面时拱顶产生较大位移变化.在第5～7断面交叉侧边墙较另一侧位移要大。在第6断面拱底位移要大于拱顶。最终该交叉结构最大位移达到2.537mm，说明水平洞室之间的交叉结构在水平洞室和斜坡道开挖中会产生较大位移。

3.3 斜坡道开挖模拟结果

斜坡道在公共区水平洞室施工完毕后才穿其而过，并采用TBM施工。特将斜坡道划分五个荷载步。斜坡道与水平洞室交叉处岩体的应力状态和长连接通道与水平洞室交叉处岩体相似，最大主应力最大处位于拱顶和拱底，最小主应力最大处位于边墙处，并呈环向分布。

为更直观说明在斜坡道与水平洞室交叉处位移随荷载步的变化规律，选择左侧长洞室和中间三条水平洞室与斜坡道交叉处斜坡道一侧的四个断面，并取断面上左下右四个位移分析点，其中第9断面位移随荷载步变化规律(图12)。

图12 第9断面分析点位移随荷载步变化

断面位于斜坡道与水平洞室的交叉处。第9断面在前9荷载步中受施工影响较小，位移增加幅度因此相应较小。当施工至此断面时位移剧烈增加，随后趋于稳定。第10断面在第4荷载步因开挖中间水平洞室，使得其位移缓慢逐渐增加，在第9～13荷载步开挖斜坡道，使拱底、拱顶和边墙的位移产生阶跃性增长。第11断面，拱顶位移在第14位移产生较大位移，达到2.814m。第12断面，从第4步至最后荷载步，位移持续的增长。

4 结 论

(1)240m埋深复杂节点水平洞室开挖使洞室拱顶和拱底产生较大位移，在水平洞室与竖井交叉处拱顶位移最大；斜坡道与水平洞室交叉处产生了较大位移，随斜坡道开挖交叉处的位移增长速率逐渐减小，反映了掌子面的空间作用效应；水平洞室与竖井交叉处围岩的最大主应力在拱顶和拱底较为集中，并沿着洞壁向岩体内部逐渐降低。

(2)560m埋深复杂节点水平洞室拱顶位移随洞室的开挖逐渐增大，交叉处位移最大；斜坡道与水平洞室交叉节点处位移成为主体结构施工过程中位移最大处，但位移增长速率逐渐放缓；水平洞室与竖井交叉处岩体的最大主应力较集中，斜坡道与水平洞室交叉处最大主应力在拱顶和拱底处，而边墙处是最小主应力集中处。

地下实验室实际开挖建设过程中，还需要根据实际开挖工况以及揭露的地层岩性、结构面等对施工效应做进一步精细分析。