大跨度地下厂房顶拱层支护时机数值模拟研究

孟 真，苏 超，付 东，李 硕

(河海大学水利水电学院，江苏 南京 210024)

0 引 言

洞室围岩稳定性是地下工程建设过程中需要重点关注的问题，如何选择合适的时机施作支护对于维持地下岩体稳定有重要意义。新奥法是现代地下工程支护设计的基本理念，即充分发挥围岩自承能力，及时施作锚杆和喷射混凝土等薄层柔性结构，起到加固围岩、控制变形的作用。支护过早，围岩自承能力未得到发挥，支护承压过大；支护过迟，围岩易变形过度而失稳破坏，支护未发挥有效作用[1]。因此，研究确定初期支护的最佳时机，可以达到保障施工安全和降低支护成本的双重目的。学术界从现场监测资料、岩石理论公式和数值模拟分析等入手，对如何确定最佳支护时机展开深入探索。支护时机主要有2种表述方式：一是厂房某处围岩施作支护的最佳时间；二是开挖面与支护施作断面的距离[2]。赵旭峰等[3]将现场实测数据与数值模拟结果进行比较验证，得出深部软岩隧道施工过程中的时空变化规律；王小军[4]借助经验公式法及数值模拟法，分析某隧洞开挖支护过程中围岩的变形规律；杨建平等[5]结合小净距隧道的施工特点，利用有限元软件ABAQUS研究小净距隧道在不同荷载释放比例下施作支护对围岩稳定性的影响；李术才等[6]通过数值分析及模型试验，研究台阶法开挖过程中隧道主要特征点的荷载变化规律；白琦等[7]基于三维弹塑性损伤模型，研究开挖荷载释放率增大和掌子面向前推进时的围岩变形规律；苏凯等[8]以开挖荷载释放率和掌子面与监测断面间的距离为控制参数，提出基于位移完成率的最佳初次支护时机选择方法。

上述研究对分析开挖支护过程中的围岩变形规律起到了重要的推动作用，但目前对于初期支护时机的分析仍停留在定性阶段，未能提供具体可靠的选择方法指导工程实践。为此，本文基于岩石材料非线性本构关系，利用ABAQUS建立某抽水蓄能电站地下厂房三维数值模型，将掌子面与分析断面的距离作为主要控制变量，分析不同时间施加支护对围岩稳定的影响，从而确定可以兼顾稳定性和经济性的最佳初期支护时机，达到维持围岩稳定、降低施工成本的目的，为同类工程建设提供定量参考。

1 模型建立

1.1 工程概况

某抽水蓄能电站总装机容量为1 500 MW，额定发电水头642 m。枢纽建筑物由上水库、下水库、水道系统、地下厂房系统和地面开关站等组成，采用中部布置方式。地下厂房开挖尺寸为173 m×25.8 m×57.5 m(长×宽×高)，厂房顶拱开挖高程1 304.5 m。厂区内发育有5条对围岩稳定有影响较大的断层，主要由糜棱岩和碎裂岩组成，其中有2条SW向断层(F67、F79)、2条NE向断层(F71、F96)和1条NW向断层(F88)。F71、F96断层在厂房顶拱处破碎带较宽，影响宽度约为1 m。厂房洞室围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部断层带为Ⅳ类。顶拱层开挖区与断层相对位置见图1。

图1 顶拱层开挖区与断层相对位置

1.2 有限元三维模型

主厂房轴线方向为X轴，指向副厂房方向为正；垂直于主厂房轴线水平方向为Y轴，指向主变室方向为负；竖直方向为Z轴，向上为正。计算模型的范围边界为：①上、下游向边界。从地下厂房洞室上游边墙向上游延伸200 m，从尾闸室下游边墙向下游延伸300 m。②厂房轴线方向边界。从地下厂房两端的1、2号通风机室的左、右端墙向两侧延伸200 m。③铅直向边界。上至地表，下至高程1 100 m。除山体顶部为自由边界外，四周施加法向约束，山体底部施加3个方向约束。本次数值模拟的基本假定为：①工程岩体按各向同性、非线性材料考虑。②不考虑温度荷载、地震荷载和地下水的影响。③仅模拟初期支护。计算网格节点数为239 813个，单元数为1 208 694个，为四面体10节点单元。本次数值模拟分析使用ABAQUS通用有限元程序，基于Mohr-Coulomb屈服准则，混凝土衬砌采用壳单元模拟，锚杆采用杆单元模拟。

1.3 初始地应力

根据抽水蓄能电站厂房区实测地应力资料，采用最小二乘法进行多元线性回归分析，反演得到计算区域的初始地应力场回归方程为

σ地=1.06σ自+5.05σX+6.82σY+0.033σXY

式中，σ地为初始地应力场；σ自为自重应力；σX、σY分别为X、Y方向的水平挤压构造应力；σXY为XY平面内的剪切应力。计算区域初始地应力场分布范围见表1。

表1 计算区域初始地应力场发布范围 MPa

1.4 计算参数及计算工况

根据洞室围岩地质勘探资料，参照工程岩体分级参数，本次数值分析采用的岩体及支护材料的力学参数见表2。

表2 岩体及支护材料基本物理力学参数

本次研究仅模拟主厂房顶拱层开挖过程，分别考虑掌子面与支护施作位置的距离Xdel=5、10、15、20、25、30 m时顶拱层围岩的稳定状态。顶拱层松弛深度取6 m，相应对松弛区岩体进行力学参数折减。各工况下顶拱层松弛区岩体力学参数见表3。

表3 各工况下顶拱层松弛区岩体的基本物理力学参数

地下厂房顶拱跨度27.3 m，开挖过程分3部分进行：中导洞按上下台阶法领先开挖，两侧导洞扩挖跟进。施工过程：开挖上部台阶①→开挖下部台阶②→开挖左右侧导洞③。上、下台阶距离15 m，中导洞初期支护闭合后开挖侧导洞。上台阶初期支护Ⅰ和侧导洞初期支护Ⅱ按照各工况要求在相应时机施作。为便于分析，以3号机组中剖面为分析断面，在顶拱洞周选取3个关键点。分部开挖支护过程及顶拱关键点位置见图2。

图2 顶拱施工过程及关键点位置

2 数值计算结果与分析

2.1 围岩位移

开挖过程中分析断面的拱顶关键点的位移变化，各工况下拱顶关键点NO.1拱顶竖向沉降见图3。从图3可知，随着掌子面的不断推进，分析断面处围岩变形先后经历变形微小、变形加剧、变形减慢、变形稳定4个发展阶段。掌子面距分析断面15 m左右时，拱顶已开始产生微小沉降；掌子面距分析断面5 m左右时，沉降速率显著增大；分析断面中导洞上部台阶开挖完成后，拱顶沉降速率达到最大值；随着下部台阶的开挖，拱顶继续向下沉降，围岩变形速率逐渐减小；侧导洞开挖完成后，拱顶继续向下沉降，但围岩变形速率显著减小，拱顶沉降集中在分析断面前10 m至后25 m左右区域。

图3 各工况下拱顶关键点NO.1拱顶竖向沉降

各工况下上游拱座关键点NO.2横向变形见图4。从图4可知，由于受到中导洞开挖扰动的影响，中导洞掌子面距分析断面15 m左右时，拱座已开始产生微小收缩；中导洞开挖完成后，拱座收缩变形速率显著增大；侧导洞开挖完成后，拱座收缩变形速率达到最大值；拱座收缩变形集中在分析断面前20 m至后5 m左右区域。侧导洞掌子面距分析断面20 m左右时，拱座向外扩张，但量值微小，此后变形基本趋于稳定。

图4 各工况下上游拱座关键点NO.2横向变形

各工况的计算结果对比显示，随着初期支护施加时间的不断滞后，分析断面的拱顶沉降值和拱座收缩值不断增大。施加支护后，围岩变形速率减小。各工况下顶拱关键点支护前的最大位移见表4。从表4可知，随着支护时间的滞后，关键点支护前最大位移的量值不断增大，说明支护过晚对控制围岩变形作用不大。各工况下拱顶及拱座的最大变形及增幅见表5。从表5可知，与工况1相比，工况2的拱顶沉降值增大2.09%，上、下游拱座收缩值分别增大1.22%、2.85%；其他工况的增长幅度均较小。由此可见，工况1对围岩变形的控制效果最好。

表4 各工况下顶拱层关键点支护前最大位移

图5 不同工况下顶拱围岩的塑性区分布

2.2 围岩塑性区

图5为分析断面不同工况下顶拱围岩的塑性区分布。从图5可知，顶拱层开挖完成后，拱顶及底板出现塑性区，最大等效塑性应变出现在拱顶处，拱座部位未出现塑性变形。为维持围岩稳定，建议对底部土体采取临时加固措施，以增强工程安全性。

图6为6种工况下顶拱层围岩塑性区发展对比。从图6可知，随着支护时间的滞后，顶拱层围岩的塑性区发展深度和最大等效塑性应变均随之增大。各工况下，拱顶围岩塑性区最大发展深度约为4.95 m，小于锚杆的设计长度8 m，因此在设计支护时可适当减小锚杆长度以降低成本。

图6 不同工况下顶拱围岩的塑性区发展对比

表6为各工况下拱顶塑性区面积及增长幅度。从表6可知，与工况1相比，工况2塑性区面积增大12.37%，其他工况的增长幅度均较小。由此可见，顶拱支护时间越滞后，围岩塑性区范围、最大等效塑性应变量值及塑性区面积均越大，工况1对控制围岩塑性变形的效果最为显著。

表6 各工况下拱顶塑性区面积及增幅对比

图7 工况2开挖过程中围岩压应力集中区域分布变化

2.3 围岩与初期支护结构的受力

根据不同开挖步围岩主应力分布云图可以分析开挖过程中围岩应力集中区分布的变化规律，以工况2为例，中导洞上、下台阶及侧导洞开挖结束后围岩主压应力分布位置变化见图7。从图7可知，上台阶开挖完成后，开挖断面拐角处出现明显的压应力集中，最大压应力为-27.59 MPa；下台阶开挖完成后，围岩应力重分布，压应力集中区出现在中导洞拐角处，最大压应力为-33.74 MPa；左右两侧导洞开挖结束后，压应力集中区转移到拱座处，最大压应力为-36.42 MPa。整个开挖过程中，围岩的最大压应力均小于岩体的抗压强度。

开挖过程中，分析断面各关键点的主压应力变化见图8。从图8可知，掌子面距分析断面15 m左右时，围岩受开挖扰动发生松动，拱顶围岩主压应力开始减小，各工况的减小值在1.88 MPa以内；掌子面距分析断面5 m左右时，围岩应力重分布，分析断面拱顶围岩主压应力增大，主要是由于掌子面朝洞室净空方向产生纵向水平鼓出变形所导致，但增大值不超过2 MPa；分析断面开挖完成后，拱顶部位围岩卸荷松动，主压应力迅速减小，相较于初始地应力值，最大减幅为51.68%，拱顶围岩应力调整的主要位置在分析断面前15 m至后5 m左右区域。由于受到中导洞开挖扰动的影响，中导洞开挖面推进到分析断面时，拱座处围岩主压应力开始增大，但量值微小；侧导洞开挖完成后，分析断面拱座处围岩压应力显著增大，相较于初始地应力值最大增幅为120.72%，拱座围岩应力调整的主要位置在分析断面前10 m至后20 m左右区域。各工况的计算结果对比显示，支护时间越滞后，拱座处围岩主压应力越大。

图8 各工况下关键点主压应力变化

支护结构受力的总体特征为：衬砌压应力水平较高区域主要分布在拱顶处；中导洞支护完成后，初期支护Ⅰ中锚杆的最大拉应力主要出现在拱顶处(围岩竖向沉降变形最大部位)；全断面支护完成后，初期支护Ⅰ中锚杆的最大拉应力从拱顶转移到拱肩处，初期支护Ⅱ中锚杆的最大拉应力也出现在拱肩处(围岩横向收缩变形最大部位)。锚杆最大拉应力值集中出现在1 228 959、1 229 400、1 231 694、1 230 204、1 231 689、1 230 338几个单元处。各工况下最大拉应力锚杆位置见图9。

图9 各工况下最大拉应力锚杆位置

表7、8为初期支护结构最大受力情况及降幅对比。从表7、8可知，初期支护施加过迟，锚杆所受的拉力和衬砌所受的压力均较小，初期支护未充分发挥作用，不满足经济性的要求。

表7 各工况下锚杆最大拉应力及降幅

表8 各工况下衬砌最大压应力及降幅

根据各工况的计算结果对比显示，初期支护时间越滞后，衬砌最大压应力值和锚杆最大拉应力值均越小。说明支护过迟，支护结构未充分发挥作用。工况1和工况2的支护受力情况与工程实际需要较为符合，实现了兼顾稳定性和经济性的理想支护效果。

3 结 语

本文基于非线性有限单元法，以某抽水蓄能电站为工程背景，采用分部开挖法对大跨度水电站地下厂房顶拱层开挖支护过程进行数值模拟，分析不同支护时机下洞周围岩的稳定性，主要得出以下结论：

(1)不同支护时机下顶拱层围岩开挖响应的规律基本一致，拱顶竖向变形较大，应加强支护；分部开挖过程中，中导洞边墙与拱肩、底板交界处出现明显的压应力集中区，开挖结束后，两侧拱座出现压应力集中，但均小于岩体的抗压强度；拱顶部位和底部土体进入塑性状态，在开挖过程中应对拱底采取一定的加固措施。

(2)随着支护时机的滞后，围岩最终变形量和塑性区范围都随之增大。Xdel从5 m增加至30 m，拱顶竖向沉降值从31.65 mm增长至33.52 mm，最大等效塑性应变从1.735×10-2增长至2.004×10-2。

(3)支护时机对锚杆和衬砌受力影响较大，支护过迟，锚杆最大拉应力和衬砌最大压应力均较小，表明围岩已进入自稳定状态，支护结构未充分发挥作用。根据分析结果可知，Xdel位于5～10 m区段时为最佳支护时段。